Термическое сопротивление стенки

Термическое сопротивление стенки и загрязнений определяется по формуле

, (1.22)

где r_загр1 – загрязнение со стороны горячего теплоносителя и стенки, м²∙К/Вт; r_загр2 – загрязнение со стороны стенки и холодного теплоносителя, принимаем по приложению Б15; δ_ст – толщина стенки, м; λ_ст – коэффициент теплопроводности стальной стенки, Вт/м∙К

[3, 529].

Рассчитав коэффициент теплопередачи, рассчитываем температуры стенок t_ст1, t_ст2, проверяем отношение (Pr/Pr_ст)^0,25, если разница между рассчитанным и ранее принятым меньше 5%, расчет коэффициента теплопередачи считается законченным. Затем рассчитывается поверхность теплопередачи по уравнению теплопередачи. Принимаем запас поверхности 15 – 20 % и подбираем по приложениям Б12, Б13 теплообменник.

1.2. Примеры расчета теплообменников

1.2.1. Расчет кипятильника Задание

Рассчитать кипятильник для образования паров уксусной кислоты. Расход кислоты составляет 2,5 кг/с. Давление атмосферное. Обогрев ведется водяным насыщенным паром давлением 3,2 атм.

Рассчитываем количество тепла, необходимое для процесса кипения уксусной кислоты

Q₂ = G₂∙ r₂,

где r₂ – удельная теплота парообразования уксусной кислоты при температуре кипения; t₂ = 118 C [3, 541], Дж/кг; G₂ – расход уксусной кислоты, кг/c.

Q₂ = 2,5 ∙ 400000 = 1∙10⁶ Вт.

По давлению греющего пара [3, 548] определяем температуру греющего пара, t₁ = 135 C.

Средняя разность температур теплоносителей равна t = t₁ – t₂ = 135 – 118 = 17 C.

Определяем предварительно поверхность кипятильника, для чего задаемся значением коэффициента теплопередачи, К = 300 Вт/м²∙К.

F = = = 196 м².

По поверхности (приложение Б13) выбираем кипятильник с длиной трубы Н = 3м.

Коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося греющего водяного пара находим по формуле

₁ = 1,21∙ λ₁∙∙q^-1/3 ,

где λ₁ – теплопроводность конденсата, Вт/м∙К (таблица А22); µ₁ – динамический коэффициент вязкости конденсата Па∙с (таблица А22); r₁ – удельная теплота конденсации греющего пара при давлении 3,2 атм, Дж/кг (таблица А21); q – удельный тепловой поток, Вт/м².

₁ = 1,21∙ 0,68∙∙q^-1/3 = 2,55∙10⁵∙ q^-1/3.

Коэффициент теплоотдачи для кипящей уксусной кислоты находим по формуле

₂ = b∙,

где b – коэффициент, определяемый следующим выражением

b = ,

где λ₂ – теплопроводность кипящей уксусной кислоты, Вт/м²∙К

[3, 561]; ρ₂ – плотность кипящей уксусной кислоты, кг/м³, [3, 512]; μ₂ – коэффициент динамической вязкости кипящей уксусной кислоты, Па∙с [3, 516]; σ₂ – поверхностное натяжение Н/м, [3, 526]; ρ_п – плотность паров уксусной кислоты, рассчитывается по формуле

ρ_п = ρ₀∙=∙,

где М – мольная масса уксусной кислоты, кг/кмоль.

ρ_п = ∙= 1,87 кг/м³;

b = ;

₂ = 0,087∙= 1,73∙q^2/3.

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений

Σr_ст = + r_загр.1 + r_загр.2,

где _{ст ­}– толщина стенки, м; _ст – коэффициент теплопроводности стали, Вт/м²∙К [3, 529]; r_загр.1 и r_загр.2 – термические сопротивления загрязнений со стороны пара и уксусной кислоты, м²∙К/Вт (приложение Б15).

Σr_ст = + += 3,88∙10^-4 м²∙К/Вт.

Коэффициент теплопередачи равен

К = == =.

Удельная тепловая нагрузка равна

q = K∙t = .

Решаем уравнение относительно q

.

Это уравнение решаем графически, задаваясь значениями q (5000, 10000, 15000) и определяем величину Y. На графике (рисунок. 1.2.) строим зависимость Y(q). При Y = 0 находим q = 10200 Вт/м².

Коэффициент теплопередачи

К = q/∆t = 10200/17 = 600 Вт/м²К.

Площадь поверхности теплообмена рассчитываем по уравнению теплопередачи

F = = =98 м².

Принимаем аппарат с площадью поверхности теплопередачи

F = 112 м² (приложение Б13). Запас составляет .