теплообмен_в_хт[1]

где Sв.п. 0,013 м2 – значение площади межтрубного пространства (вырез перегородки), табл. 12.6 и рис. 12.4.

17. Для определения режима движения нагреваемого сырья в межтрубном пространстве вычислим значение критерия Рейнольдса:

Re2 w2dн 2 0,45 0,025 852 19969.

2 0,00048

18. Для вычисления значения критерия Нуссельта для межтрубного пространства при поперечном обтекании пучка труб и при условии Re2>1000 воспользуемся формулой (7.9):

0,24 199690,6 6,310,36 1 177,2.

можно принять равным 1 (этот вопрос обсуждался при анализе формулы (7.6)). В этом случае получится некоторый запас по коэффициенту теплоотдачи α2.

19. Коэффициент теплоотдачи от поверхности труб к нагреваемому сырью

110

20. Нахождение расчѐтного коэффициента теплопередачи без учѐта загрязнений стенки и с учѐтом этих загрязнений.

Если теплопередающая поверхность чистая, то коэффициент теплопередачи будет иметь значение

В процессе эксплуатации аппарата на теплопередающей поверхности будут откладываться загрязнения, которые ухудшат передачу теплоты. Мы должны ещѐ на стадии проектирования учесть влияние этих отложений. Как по трубам, так и по межтрубному пространству движутся органические жидкости. Среднее значение тепловой проводимости загрязнений, которые они могут вызывать, согласно табл.

7.1, составляет 5800 Вт . Тогда расчѐтный коэффициент теплопе- м2 К

редачи с учѐтом загрязнений составит

грязнения несущественно отразятся на работе аппарата.

21. Расчѐт требуемой площади поверхности теплопередачи.

111

Определим по формуле (3.2) требуемую площадь поверхности теплопередачи:

Нами был выбран к установке теплообменник с площадью теплопередачи 17,5 м2. Расчѐт же показал, что при таких геометрических характеристиках аппарата требуется 19,1 м2. Вывод: выбранный аппарат не подходит для поставленной задачи.

Обычно далее делается вывод: раз площади аппарата не хватает, то нужно выбрать другой теплообменник с большей поверхностью теплопередачи. Это не самый правильный вывод. Дело не в том, что оказалось мало площади, а в том, что она используется неэффектив-

выяснить, почему так произошло.

В главе 7 при обсуждении вопроса о соотношении коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи говорилось, что коэффициент теплопередачи К всегда меньше меньшего из коэффициентов теплоотдачи. Следовательно, для увеличения коэффициента теплопередачи надо увеличить меньшее значение α. В нашем случае это 1. Из сравнения коэффициентов 1 и 2 видно, что кубовая жидкость почти в два раза хуже отдаѐт теплоту поверхности, чем еѐ может брать нагре-

Попробуем взять другой аппарат – с трубами 20×2 мм (приложение 12). Параметры выбранного аппарата приведены в табл. 12.7.

112

Внешне выбранный аппарат не будет отличаться от изображѐнного на рис. 12.4. Однако он имеет меньшие площади сечений трубного и межтрубного пространств. А чем меньше сечение потока, тем больше его скорость. Чем больше скорость, тем тоньше должен быть пристенный пограничный слой (рис. 7.1). Поэтому можно ожидать увеличения обоих коэффициентов теплоотдачи. Чтобы проверить это, повторим расчѐты. Результаты этих расчѐтов приведены в табл. 12.8.

Теперь получили прямо противоположный результат: запас площади поверхности теплопередачи превышает рекомендованный нормами технологического проектирования. Мы попали в патовую ситуацию18. По идее, теперь надо уменьшать поверхность теплопередачи. Но это возможно только при переходе на больший диаметр кожуха. Однако при этом существенно увеличатся проходные сечения трубного и межтрубного пространств (приложения 11 и 12). Это приведѐт к снижению скоростей потоков, снижению турбулентности, уменьшению коэффициента теплопередачи. Кроме того, такой аппарат будет иметь бóльшую массу, а значит – бóльшую стоимость. Поэтому надо ответить на вопрос: что для нас важнее – уложиться в нормы проектирования или выбрать оптимальный аппарат. Ответ на

18 Пат, патовая ситуация – шахматный термин, обозначающий ситуацию, когда ни одна из фигур не может сделать ход. В жизни патовая ситуация означает тупик, из которого нет выхода. Пути назад тоже нет.

113

этот вопрос очевиден. Поэтому принимаем к установке аппарат с трубами 20×2 мм. На этом можно остановиться, а можно продолжить расчѐты.

Теперь получили прямо противоположный результат: запас площади поверхности теплопередачи превышает рекомендованный нормами технологического проектирования. Мы попали в патовую ситуацию19. По идее, теперь надо уменьшать поверхность теплопередачи. Но это возможно только при переходе на больший диаметр кожуха. Однако при этом существенно увеличатся проходные сечения трубного и межтрубного пространств (приложения 11 и 12). Это приведѐт к снижению скоростей потоков, снижению турбулентности, уменьшению коэффициента теплопередачи. Кроме того, такой аппарат будет иметь бóльшую массу, а значит – бóльшую стоимость. Поэтому надо ответить на вопрос: что для нас важнее – уложиться в

19 Пат, патовая ситуация – шахматный термин, обозначающий ситуацию, когда ни одна из фигур не может сделать ход. В жизни патовая ситуация означает тупик, из которого нет выхода. Пути назад тоже нет.

114

нормы проектирования или выбрать оптимальный аппарат. Ответ на этот вопрос очевиден. Поэтому принимаем к установке аппарат с трубами 20×2 мм. На этом можно остановиться, а можно продолжить расчѐты.

В пункте 9 расчѐта мы приняли решение направить горячий поток в трубы, а холодный – в межтрубное пространство. Попробуем теперь поменять потоки местами – кубовую жидкость пустить в межтрубное пространство, а сырьѐ колонны в трубы (рис. 12.5).

Вход сырья, t2н = 200С

Рис. 12.5. Кожухотрубчатый двухходовой теплообменник. Сырьѐ направлено в трубы, кубовая жидкость – в межтрубное пространство

Если повторить расчѐт, то получим следующие результаты

(табл. 12.9).

Делаем вывод, что при выборе к установке аппарата с трубами 20×2 мм целесообразнее направить горячий поток (кубовую жидкость) в межтрубное пространство, а нагреваемое сырьѐ – в трубы. В этом случае коэффициенты теплоотдачи 1 и 2 имеют более близкие значения. Коэффициент теплопередачи Kp получается несколько

большим, что увеличивает запас поверхности теплопередачи.

115

Таблица 12.9

Результаты расчѐта теплообменника с трубами 20×2 мм, кубовый остаток направлен в межтрубное пространство, сырьѐ – в трубы

Делаем вывод, что при выборе к установке аппарата с трубами 20×2 мм целесообразнее направить горячий поток (кубовую жидкость) в межтрубное пространство, а нагреваемое сырьѐ – в трубы. В этом случае коэффициенты теплоотдачи 1 и 2 имеют более близкие значения. Коэффициент теплопередачи Kp получается несколько

большим, что увеличивает запас поверхности теплопередачи. 22. Расчѐт диаметров штуцеров.

В практике технологических расчѐтов этот пункт, как правило, не выполняется – завод-изготовитель теплообменной аппаратуры руководствуется ГОСТом и сам устанавливает штуцеры необходимого диаметра. Мы делаем такой расчѐт с чисто учебной целью.

При диаметре кожуха 325 мм и числе ходов по трубам z 2 ГОСТ предусматривает установку штуцеров для трубного и межтрубного пространств диаметром 100 мм. Проверим, какие получаются диаметры для заданных расходов сырья и кубовой жидкости.

116

Для ввода и вывода нагреваемого сырья (трубное пространство)

Расчѐтный диаметр меньше установленного ГОСТом, имеем запас. Для ввода и вывода кубового остатка (межтрубное пространство)

Диаметр штуцеров для межтрубного пространства также не превышает установленного ГОСТом значения.

13. РАСЧЁТ КОНДЕНСАТОРА

Ректификация немыслима без процесса перехода верхнего продукта из паровой фазы в жидкую с целью создания орошения колонны и получения товарного дистиллята (аппарат Т-2 на рис. 9.1). Этот процесс называется конденсацией, а теплообменные аппараты, в которых он осуществляется, – конденсаторами. Внешний вид конденсатора и потоки показаны на рис. 13.1. Конденсатор можно установить как горизонтально, так и вертикально. При вертикальной установке он будет занимать меньше места на технологической площадке. А при горизонтальной он будет более эффективно работать – в этом мы убедимся, выполнив расчѐт.

117

В конденсатор поступает насыщенный пар органического вещества. В аппарате он отдаѐт хладоагенту (воде или воздуху20) теплоту конденсации и переходит в жидкую фазу. Если в состав пара входит одно вещество, то его температура в аппарате остаѐтся постоянной и равной температуре конденсации (кипения) при давлении процесса. Например, пар этилового спирта при атмосферном давлении будет конденсироваться при постоянной температуре 78 ºС. Если же пар образован двумя и более компонентами, то процесс начинается при темпера-

туре начала конденсации, а заканчивается – при температуре конца конденсации. Нахождение этих температур подробно описано в главе 6.

Исходные данные на проектирование. Рассчитать конденса-

тор ректификационной колонны. Состав поступающего на конденсацию пара21: бензол yб 90% масс., толуол yт 10% масс. Расход пара G1=30000 кг/час. Начальная температура пара на входе в конденсатор равна температуре начала конденсации при давлении Р1=0,11 МПа. Теплота конденсации снимается водой с начальной температурой t2н=20 0С.

Расчѐт

Алгоритм расчѐта конденсатора будет следующим.

1.Определение мольного состава конденсирующегося пара, т.е. пересчѐт массовых долей в молярные yi yi .

2.Нахождение температуры начала конденсации t1н .

3.Нахождение температуры конца конденсации t1к .

4.Определение тепловой нагрузки конденсатора Q .

5.Расчѐт расхода воды G2 , необходимой для снятия теплоты

конденсации.

6. Определение среднего температурного напора (средней разности температур) tср .

20Конденсаторы, в которых в качестве холодного потока используется воздух, так и называются – конденсаторы воздушного охлаждения, сокращѐнно КВО. Их расчѐт представляет собой самостоятельную довольно сложную задачу и здесь не рассматривается.

21Напомним, что составы жидкой фазы мы договорились обозначать буквой х, а паровой – буквой у – см. «Основные условные обозначения» в главе «Введение».

118

Вход пара

Выход воды

Вход воды

Вход пара

Выход конденсата

Рис. 13.1. Горизонтальный кожухотрубчатый конденсатор

7.Расчѐт теплофизических свойств конденсата (жидкости, которая образовалась после конденсации пара).

8.Принятие ориентировочного коэффициента теплопередачи Кор

иприближѐнная оценка требуемой площади поверхности теплопередачи Fор.

119