Для расчета температур поверхностей металлической стенки можно использовать формулу:

tм tст qrзагр. .

.

4 Примеры расчета теплообменных аппаратов

4.1 Пример расчета дефлегматора.

Рассчитать теплообменный аппарат (дефлегматор) для конденсации при атмосферном давлении 100 кмоль/ч пара бинарной смеси ацетон-вода. Мольная доля ацетона в смеси 85%. Температура охлаждающей воды 15°С. Рассчитать необходимую поверхность теплообмена и расход воды. Выбрать аппарат по каталогу теплообменного оборудования.

4.1.1 Исходные данные

Мольный расход пара Gdм=100 кмоль/ч;

Мольная доля ацетона xd=0,85 кмоль ацетона/кмоль смеси; Начальная температура воды tнач=15°С;

Мольная масса ацетона Mа=58.08 кг/кмоль; Мольная масса воды Мв=18 кг/кмоль;

Выбираем горизонтальный теплообменный аппарат с шахматным расположением теплообменных труб диаметром 25×2 мм.

4.1.2 Ориентировочный расчет

Принимаем конечную температуру воды tкон=35°С. Мольная масса бинарной смеси:

M см xM a (1 x)M в 0.85 58.08 0.15 18 52.07 кг/кмоль.

Массовая доля ацетона в смеси:

Массовый расход пара

Gd Gdm Mсм 3600100 52.07 1.446 кгс .

20

Температуру конденсации дистиллята получаем линейной интерполяцией данных [3]:

где t90 и t80 – температуры кипения бинарной смеси при мольных концентрациях 0,9 и 0,8 соответственно.

Теплофизические свойства воды и ацетона будем вычислять по аппроксимационным формулам [5]:

rH 2O (t) 265.3 374.3 t 0.38 , кДж/кг, rC3H6O (t) 72.18 235.1 t 0.38 , кДж/кг.

Теплофизические свойства дистиллята при температуре конденсации соответственно равны:

rd xd rC3 H 6 O (td ) (1 xd ) rH 2O (td ) 0.948 516 (1 0.948) 2365 612 кДж/кг.

21

Расход теплоты (без учета потерь):

Q Gd rd 1.446 612 885.4кВт.

Определяем расход воды. В уравнениях теплового баланса теплоемкость теплоносителей рассчитывается при температуре равной среднеарифметическому значению начальной и конечной температур.

Расчет tср :

Средняя температура воды:

tср td tср 57.8 31.8 260 C .

Теплофизические параметры воды при средней температуре:

H 2O (tср ) 996 кг/м3 ,

H 2O (tср ) 0.935 мПа с,

С СH 2O (tср ) 4.189 кДж/(кг К),H 2O (tср ) 0.609 Вт/(м К).

Примем ориентировочное значение критерия : Reор=20000.

Скорость воды в трубах, соответствующая ориентировочному значению Re:

22

Проходное сечение трубного пространства, соответствующее полученной скорости:

Проходное сечение трубного пространства, близкое к расчетному, имеют следующие теплообменные аппараты:

1.Одноходовой с диаметром кожуха 273 мм. Sтр=0.013 м2, F= 3.0 – 9.0 м2.

2.Двухходовой с диаметром кожуха 400 мм. Sтр=0,017 м2, F= 16.0 – 47 м2.

3.Четырехходовой с диаметром кожуха 600 мм. Sтр =0,018 м2, F= 32 – 97 м2.

4.Шестиходовой с диаметром кожуха 400 мм. Sтр =0,011 м2, F= 31– 91 м2.

Для окончательного выбора теплообменного аппарата определим ориентировочную поверхность теплообмена, задавшись ориентировочным значением коэффициента теплопе-

редачи Кор=1000 Вт/(м2К).

По ориентировочным значениям проходного сечения и поверхности теплообмена выбираем двухходовой теплообменный аппарат с диаметром кожуха 400 мм, числом труб n=100, сечением трубного пространства Sтр=0,017 м2, числом рядов труб k=10.

23

4.1.3 Подробный расчет процесса теплопередачи

Для выбранного теплообменного аппарата скорость w и значения критериев Re и Pr в трубном пространстве равны:

Формула для расчета коэффициента теплоотдачи конденсирующегося пара на пучке горизонтальных труб имеет вид [3]:

где ε = 0.65 – корректировочный коэффициент, зависящий от числа рядов труб k;

tст1 – средняя температура поверхности стенок теплообменных труб со стороны пара. Формула для расчета коэффициента теплоотдачи от труб к воде при Re>10000 имеет вид[3]:

где Prст – значение критерия Pr, вычисленного при средней температуре поверхности теплообменных труб со стороны воды.

Выберем начальные приближения температур стенок:

tст1 50 0 C, tст2 35 0 C .

Для этих температур коэффициенты теплоотдачи равны:

24

Примем значения тепловой проводимости загрязнений труб со стороны пара и воды[3]:

Очевидно, что расхождение значений тепловых потоков больше 5%. Находим новые приближения температур стенок.

Повторяем вычисления для новых температур стенок:

25

Коэффициент теплопередачи равен:

Очевидно, расхождение значений тепловых потоков меньше 5%. Расчет коэффициента теплопередачи закончен. Определяем поверхность теплообмена :

Выбираем по каталогу (Приложение А) теплообменный аппарат с длиной труб 6 м и поверхностью 47 м2. Запас поверхности при этом составит :

47 44.8 14.5% .

47

Если по заданию запас поверхности должен быть больше, следует повторить расчет для четырехходового теплообменного аппарата диаметром 600 мм.

26