книги / Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.-1

/Gr Рг )

_0,0213.798М ,28.10- 3. 32.9,81

^

(Qr»Pr*> ~

j

l f Рг* -------------------

0 ,2 9 ^ .1 0 -* --------------

4,93 ~ 13,4,10 *

Здесь

Рг, = 2023-0,295.10-»/0,121 = 4,93,

w где с2 = 2023 Дж/(кг-К);

>*2= 0,121

Вт/(м-К).

При (Gr2Pr2) >8*105 и Rea <T3500 применима формула (4.25). Принимаем

длину трубы

L =

3 м.

Тогда

где

Ре, А -

= ReJ>r, А - =

1984-5,19 А р

=

72;

цст. , = 0,266 10-* Па-С

при

fCTe 2=

102 °С.

Таким образом,

а2 = Nu2^/da =

29,2-0,1248/0,021 =

173 Вт/(м2-К).

II. Коэффициент

теплоотдачи

при

конденсации

водяного пара.

опре­

В первом

варианте расчета аппарата при п = 210, е =

0,62 было

делено « 1 =

9400 Вт/(м2*К). Во втором

варианте п =

473.

Число рядов труб

по

вертикали

пв =

32 (табл.

4.14),

чему соответствует е « 0,57 (рис.

4.7).

При той же длине труб L = 3 для второго варианта:

«1 =

9400-^Ц- ( + ^ - ) 1/а = 9400.0,92.1,31 =

И 400 Вт/(м2-К).

Коэффициент теплопередачи прн L — 3 м

(предварительный):

KL=3 =

— ----------- у------------—

=

160 Вт/(м*-К),

11 400 +

2500

■*

Ш ~

где 6СТ/ХСТ =

1/2500.

Уточнение принятых величин:

а) разносгь температур Д/а по расчету

Д/2 -

К А/Ср/«а = 160-42,1/173 =

39 К = 39 °С;

б) определяющая температура

/ =

70 +

(39/2) » 90 °С

(расчетное значение

определяющей

температуры

совпало с

принятым 90 °С);

в) уточнение а 2 за счет того, что расчетное значение А/2 оказалось больше

принятого

«s =

173 (39/32)°** =

173-1,02 =

176 Вт/(м*.К);

*ь=з = —

j-------------\ -------------J -

= 162

Вт/(м*-К).

И 400 +

25004

Î76-

Расчетная площадь

поверхности теплообмена

при L = 3 м!

FL-3

771 000

= 113 м*.

162-42,1

Коэффициент

теплоотдачи ctj > а$,

поэтому за

поверхность теплообмена

аппарата следует

принять внутреннюю

поверхность труб [формула (4.75)]»

длине труб

3 м

имеет

площадь

поверхности теплообмена F »

зх-0,021 X

X 473*3 «

93 м2,

что

недостаточно.

Рассмотрим два варианта: а) длина труб 4 м, F = п -0,021 -473-4 = 125 м2!

б) длина труб 2 м; два аппарата с общей площадью поверхности 125 м2»

а) Теплообменник с трубами 4

м:

с*! =* И 400 (4/3)‘/*=

11 400-1,1 =

12 500 Вт/(м® К);

а, =

176 (3/4)®*4 =

176-0,89 = 157 Вт/(м2-К).

KL=4 =

— j-----------------------j— =

146 Вт/(м*. К).

12 500

+

2 500 +

157

Расчетная площадь поверхности

теплообмена

при L =• 4 м:

FL=4

771 000

= 125,4 м2.

146

42,1

Площадь поверхности теплообмена недостаточна, так как нет

запаса»

б) Два

теплообменника

с

трубам^ длиной по 2 м:

«g »

176 (3 /2 )М = 176.1,176=

207 Вт/(м2 К);

КL=2

— ------ ■-----L----- ■-----j -

»

188 Вт/(м2*К).

12 500

25ÔÔ" ^

207

Поверхностная плотность теплового потока (удельная тепловая нагрузка)

g = К А/ср =

188-42,1 =

7915

Вт/м2. Расчетная площадь поверхности тепло*

обмена при I

= 2 м:

F l = 2 *= Q/q =

771 000/7915 =

97,4 м2.

Принимаем два одноходовых теплообменника с внутренним диаметром ко­

жуха 800 мм

и длиной труб по 2

м.

125_97 4

Запас

площади поверхности теплообмена:

----- 100 * 28 %. Запас

площади поверхности

теплообмена

достаточен.

Определение /СТжj

и /ст. 2 для принятого варианта:

Аtx=* qfa

7915/12 500«

0,633 К = 0,633 °С;

*ст. Î

*■ 112,7— 0,633 « 112,067 °С;

At2= qfaа =

7915/207 = 38,237 К = 38,237°С;

/Ст. 2 — 70,6+

38,237 = 108,837 °С.

Ряс* 4*24. Схема процесса теплопе­

Азот

Вода

редачи (к

примеру 4*III)*

Щ

t 2m21°C

На схему процесса тепло-

*,»50°Сt, =

; ^

:

передачи

нужно

нанести уточ­

W

ненные

значения

/ст. i»

/©т.

« 1 ,

<*2,

q.

1

Вт

Пример

4.111.

Рассчитать

„ ш Вт

J

‘ “ 2 _52S M J-K

кожухотрубчатый

теплообмен­

а ,_ Ш м 2-К

1

ник

для

охлаждения

в меж­

ç= 2930s В т/м *

трубном

пространстве 1240 м3/ч

(считая

прн

нормальных

усло­

виях) азота от 76 до 31 °С. Аб­

1

солютное

давление

азота

*„.2*28,54°С

1,5 кгс/см2

(/^0,15

МПа). Вода

4т.н=27,в5°Сч

поступает

в

трубиое

про­

% \

В=27,77°С

странство

при 16 ®С.

Р е ш е н и е . Для данного

расчета

можно

использовать

кожухотрубчатые аппараты ти­

^загр.1 —JL п Ц- "^загр.2

пов ХН или ХК.

Составляем

схему процесса

для

азота

индекс «1» для воды (в

теплопередачи (рис.

4.24). Принимаем

трубах) — индекс

«2»,

конечную температуру

воды 26 °С.

Температурная

схема теплообмена

при

противотоке:

76 —* 31

26 <— 16

Д/б =

50

Д/м =

15.

Средняя разность температур:

ал

Д/м

_

50

15

_.on©г»_on гг

д' ср"

2731g» д * м ) '

2,з \ £ Щ

т

~

^

Q =

- у щ - PoiCi

1,25-1050 (76 -

31) = 20300 Вт/

где Poï=

1.25 кг/м3— плотность

азота при

0°С

и 760 мм рт. ст. (табл.

сг = 1050 Дж/(кг*К)— средняя удельная теплоемкость

азота (табл. XXVII).

Расход воды:

Q

20300

! 0,485 кг/с.

2 -

(*2к - *ан)

4190 (26 -

16)

= 0,25-29,5 « 8

К » 8 ° С .

= 21 -[- 8 =

29 °С,

за

Р

При

этом

*ст. 2 “ *2+

и

определяющую тем-

пературу

примем

t

=5=0,5 (/ст. а -|- /2) = 0,5 (29 -f

21) = 25 °С.

Поир этих допущениях;

(Ог2Рг2) = ^ р!Р2 Ыгё Р г ,=

0,021s-9972-2,52-10~®.8-9,81 6,22 = 14-10».

V-1

0,902*.10“®

Значения

р2, р2, р2 н Рг2

для воды взяты по

табл

XXXIX.

Произведение

(иг2Рг2) =

14-10» >8-10»;

следовательно, для горизонталь-

иого аппарата

расчетная формула (4 25);

N u, .

0,8 ( Р

. , 4 - ) М « W

. . (

J

J -

/ 14.

где

|лст. 2 = 0,825- 1(Г8 Па- с — динамический коэффициент

вязкости

воды при

*ст. а = 29 °С (табл. XXXIX).

Следовательно,

«а = Nu2À2/d2 =

13,85*0,608/0,021 = 401

Вт/(м2-К),

где

Я2 = 0,608 Вт/(м* К) — коэффициент

теплопроводности

воды

при

25 °С

(табл, XXXIX).

ной

Примем тепловую проводимость загрязнений стенкн со стороны азота рав­

2800 Вт/(м2- К) (табл.

XXXI), коэффициент

теплопроводности

стали

46,5 Вт/(м- К) (табл. XXVIII), тепловую

проводимость

загрязнений

стенки со

стороны воды среднего качества 2400 Вт/(м2-К) (табл.

ХХл1). Тогда

2800

,

т а »

,

■ • “ , т

^

46,5

^ 2400

Коэффициент теплопередачи:

К = —х----------

j!----------

J— =

95,2 Вт/(м«- К).

Т39 + _122(Г+ ~Ш~

Расчетное значение определяющей температуры / = /2 +

21 +

Запас площади поверхности теплообмена: 8,02 — 7,35

100 =

9,1 %. Запас

7,35

площади поверхности теполообмена недостаточен.

Теплообменников с тем же числом труб, но с большей длиной труб по

ГОСТу нет.

учитывая, что

Для увеличения запаса площади поверхности теплообмена,

последовательно.

изменится,

а величина а 2 возрастет:

Коэффициент ах не

а 2 =

401 (3/1,5)М = 529 Вт/(м*.К).

Коэффициент теплопередачи увеличится:

К

= —

-------------- 1-------------- j—

= 101

Вт/(м*К).

'Т з Г + 'Т Ж + "529'

Поверхностная

плотность теплового потока:

<7=

К А/Ср =

101 *29 = 2930 Вт/м2;

/с т . 1 —

_з_

50

2930

28,9 °С.

139

Уточнение значения

tcт. а:

А/а =

q/a2=

2930/529 =

5,54 К = 5,54 °С;

»

/Ст. а =

/а +

Д/а = 21 +

5,54 = 26,54 °С.

Было принято

/сТв2 =

29 °С. Разница

незначительная.

Расчетная площадь

поверхности теплообмена:

F =

20 300/2930 = 6,93 м2.

о 02_g 93

100 = 15,73 %. Запас

Запас площади поверхности теплообмена: —-— ■ ■^ —

площади поверхности теплообмена достаточен.

типа

ХН.

Проверка допустимости применения аппарата

0.652-1115

V.

10'э-67,7-10-3.363

2,61^,

где ^ = 0,075 [1 +

10 (рп/рж)*/8] = 0,075 [1 +

10 (0,424/1115)*/»] =

0,079.

Физические величины

для 20 % раствора

хлористого натрия определены

по табл. IV, IX, XXIV.

Принимаем тепловую проводимость загрязнений стенки со стороны грею­

щего пара ~ 5800 Вт/(м2-К)

и со стороны кипящего раствора ~2900 Вт/(м2 • К)

(табл. XXXI). Тогда

1

1

1

- j —

« 1785 Вт/(м2-К ),

Z '

0,002

+ 2900

5800

46,5

«кип = 2.61«7^

п = 2 ,6 1 ^ нд =

2,61 (9800

Затем рассчитываем исходные значения

Кисх

и ?исх,

принимая

оид=

= 1 К:

Ки

1

1

1

=

667 Вт/(м*-К);

9800 ^

1785

1

1195

9исх = Кисх Д<ер =

667-26,3 =

17540 Вт/м2.

Находим значение (А/КОнд)1 — ^исх^вОО =

17 540/9800= 1,79 К =

1,79 °С.

Составляем расчетную таблицу

4.14,

в

которую

записываем

исходные

данные <„оид, 1т п,

(Л/кондЬ

1/Е 'ст и

результаты

последующих расчетов.

Т а б л и ц а 4.14

Прибл11-

Конденсация греющего пара

и повероч­

&<0.2б

ный

/конд»

*ст. 1

Д *КОНД’ К

а конд*

0КОНД»

расчет

кояд

°С

°С

Вт/(М*. К)

Вт/м2

1

116.3

114,5

1,79

1,156

8472

15 160

II

116.3

114

2,38

1,24

7900

18 800

III

116.3

113,29

3,0Ь

1,32

7424

22 300

Прибли­

Стенка н ее загряз

Кнпенне

раствора

неиия

жения

и повероч­

ный

V 5 ] rcT*

Д/ст. К

*ст. 2»

*кип»

Д *КИП’

^кип*

0 К Л Л '

расчет

вт/Кг*, к)

°С

СС

К

Вт/(М*. К)

Вт/м2

I

1785

8,5

106,01

90

16,01

1600

25 600

II

1785

10,53

103,47

90

13,47

1846

24 870

III

1785

12,52

100,77

90

10,77

2071

22 300

L Первое приближение:

(/ст. i)l =

*конд— Ш копд)! =

1,79 в

114,51 °С:

( a K O H fl) l =

^

0

( А ^ К О Н д ) Г ° ’ =

l

f 7 9 0 ,2 5 55:5 “Î j f 5

g “ 8=8 8 4 7 2 В т / ( м 2 , К ) »

(<7конд)1 =

(аконд)1 (д^конд)1 =

8472.1,79 = 15 160 Вт/м2;

(A /CT ) I

=

гст (<?конд)1 =

15 160/1785 =& 8,5 К =*= 8,5 °С;

(<ст. 2 )1 =

('ст. i) i — (Д<ст)1 =

> >4,51 -

8,5 = 106,01 °С;

(Ышпк = Vet. s)l - <ш = 106,01 - 9 0 =

16,01 °С = 16,01 К;

(«ккп)1 -

2.61 (<7кс„д)!Л =

2.61 • 15,160'/, =

2,61 -612,5 =

*1—

Т “

- у - = 767 Вт/(м2«К).

1785

Ш Г

8472

тогда

(ft ~

K i Д*Ср = 767-26,3 = 20 180 Вт/м2.

=

Величину (А*ко1ш)и определяем, принимая (^конд)п

91 ПРИ

(аконд)г в

8472 Вт/(м2- К):

(А*конд)и =

9г/(а конд)1 = 20 180/8472 = 2,38 К = 2,38 °С.

Затем выполняем аналогичный расчет

(см. строку II

в табл.

4.14).

Расхождение <уК0Нд н qш

по второму

24 870 — 18 800

100 “

расчету:-------- 18800

----

=

32% > 5 % .

график

По результатам расчетов первого и второго приближения строим

q = / (*ст. i)- Полагая,

что прн

малых

изменениях^температуры поверхностные

плотности Уконд и 9КИП линейно зависят

от

tCTmt (или от

Д/конп),

графически

определяем (/Ст. J ill”

113,29 °С (рис. 4.26, точка А).

Расхождение

<?конд

и qKBD:

99 450 _ 99 ЧЛП

100 = 0,22% < 5 % .

-------------------“

На рис. 4.26

наносим значения (<УцОНд)ш и (?кип)т и проводим через точки

I, II, Ill-го расчетов

линии зависимости диовл =

(1ст. ,) и дтп — / 8 (/ст. ï) .

Как видим, они нелинейны.

Расчет q закончен.

1 .

,

1

1

,

1

,

J

5 ^ Г +

2 / СТ +

< W

7424

+

1785

+

2071

=

848 Вт/(м12*-К).

f —

Я .

1»М0б*______ gQ

ъ

К Д^ср

848 (116.3 — 90) ~ °и

•

т. е. с запасом

— 100 = 30 %.