7.1.2 Матеріальний баланс апарата

Кількість газу V_н , кг/с, та конденсату g_н , кг/с, на вході в апарат:

,

.

Кількість газу V_к , кг/с, та конденсату g_к , кг/с, на виході з апарату:

,

.

Як холодний теплоносій використовується пропан. Відповідно до завдання, рідкий пропан подається в міжтрубний простір апарата під тиском =0,15 МПа. При цьому температура кипіння пропану дорівнює =-30 ⁰С, а його схована теплота випаровування r=413,3 кДж/кг [8].

Потрібна кількість пропану , кг/с, що випаровується, визначається за формулою [8]

, кг/с,

де – коефіцієнт використання тепла в апараті ( взяти таким, що дорівнює 0,95).

Потрібна кількість рідкого пропану кг/с, становить

,

де 0,8 - прийнята на базі практичних даних частка рідкого пропану, що випаровується.

7.1.3 Вибір типу апарата

Для обрання стандартного типорозміру апарата необхідно визначити орієнтовну поверхню теплообміну пропанового холодильника з урахуванням того, що в ньому відбувається процес часткової конденсації вуглеводневої суміші.

Орієнтовна поверхня теплообміну F , м², [8]

,

де – орієнтовний коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²⁰С).

Відповідно до рекомендацій [7, 8] коефіцієнти теплопередачі в конденсаторах-випарниках практично перебувають у межах 230-580 Вт/(м²⁰С).

Середній температурний напір , ⁰С,в апараті [8]:

,

де та – максимальна та мінімальна різниці температур, ⁰С.

З боку пропану, що кипить у міжтрубному просторі холодильника-конденсатора, температура залишається постійною та дорівнює ⁰С.

Тому максимальна , ⁰С, та мінімальна , ⁰С, різниці температур дорівнюють

,

.

За галузевим стандартом ОСТ-26-02-434-72 обирається випарник кожухотрубчастий безпосереднього охолодження технологічних середовищ типу ИКТУ (випарник кожухотрубчатий з U-подібними трубами та жорстким кожухом), після чого слід навести технічну характеристику апарата.

Для забезпечення необхідної поверхні теплообміну F, розрахованої вище, варто встановити таке число апаратів n:

,

де F₁ – поверхня теплообміну обраного апарата, м².

У наступних розрахунках поверхня теплообміну та число апаратів будуть уточнені.

7.1.4 Коефіцієнт теплопередачі

Коефіцієнт теплопередачі К, Вт/(м^2.0С), з урахуванням теплових опорів стінки теплообмінних труб та забруднень внутрішньої і зовнішньої її поверхнонь розраховуються за рівнянням [8]

,

де – коефіцієнт тепловіддачі з боку газу, що конденсується. Вт/(м²⁰С); δ_ст – товщина стінки труби, м; λ_ст – коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки труби, Вт/(м²⁰С); δ_н/λ_н та δ_в/λ_в – тепловий опір шару забруднення внутрішньої та зовнішньої поверхонь труб відповідно, Вт/(м²⁰С); – коефіцієнт тепловіддачі з боку киплячого пропану, Вт/(м²⁰С).

В трубному пучку холодильника-конденсатора відбувається процес часткової конденсації вихідного газу. У цьому випадку середній коефіцієнт тепловіддачі , Вт/(м^2.0С),(з боку газу, що конденсується) у трубному просторі розраховується за формулою [8]

,

де – коефіцієнт тепловіддачі при турбулентному русі потоку в трубному пучку, Вт/(м²⁰С); (ρ_к/ρ_см) – відношення густини конденсату до щільності парорідинної суміші при температурі потоку на вході в трубний пучок ; (ρ_к/ρ_см) – відношення густини конденсату до щільності парорідинної суміші при температурі виходу потоку із трубного пучка .

Коефіцієнт тепловіддачі , Вт/(м^2.0С), для турбулентного потоку в трубках розраховується за рівнянням [8]

,

де – коефіцієнт теплопровідності конденсату при середній температурі потоку в трубному пучку, Вт/(м⁰С); d_в – внутрішній діаметр труб, м; Re – критерій Рейнольдса для рідинного потоку при його середній температурі; Pr, Pr_ст. – критерій Прандтля для рідинного потоку при середній температурі та температурі стінки труб відповідно.

Середня температура рідини (конденсату), ⁰С, в трубному пучку :

.

Критерій Рейнольдса Re визначається за формулою [8]

,

де w – лінійна швидкість рідини в трубках пучка, м/с; - густина конденсату при середній температурі , кг/м³; - коефіцієнт динамічної в’язкості конденсату при середній температурі , Пас.

Лінійна швидкість w, м/с, рідини в трубах пучка дорівнює

,

де – секундний об’єм конденсату, що пропускається по трубках пучка, м³/с; f₁ — площа прохідного перетину для одного ходу теплоносія в пучку, м².

Секундний об’єм конденсату , м³/с, дорівнює

.

Площа прохідного перетину для одного ходу теплоносія в пучку , м², дорівнює

,

де N₁ – кількість трубок в пучку для одного ходу теплоносія.

Критерії Прандтля визначаються за формулами [8]:

,

,

де – теплоємність конденсату в трубках при середній температурі , кДж/(кг⁰С); , та – теплофізичні властивості конденсату (в’язкість, теплоємність та теплопровідність) при температурі стінки труб t_ст відповідно, Пас, кДж/(кг⁰С) та Вт/(м⁰С).

Густина парорідинної суміші на вході , кг/м³, та на виході , кг/м³, з трубного пучка відповідно [8]:

,

,

де _п та _ж=_к – густина парової та рідинної (конденсат) фаз при відповідних температурах на вході та на виході з трубного пучка, кг/м³.

,

,

де Т₀ та ₀ – температура та тиск парової фази відповідно у нормальних умовах (T₀=273 К, ₀=0,1 МПа), К та МПа.

Коефіцієнт тепловіддачі ₂ , Вт/(м^2.0С), з боку киплячого пропану залежить від теплонапруження поверхні теплообміну апарата [8]:

,

де q – теплонапруження поверхні теплообміну, Вт/м².

Коефіцієнт є функцією теплонапруження q поверхні теплообміну, величина якого невідома, тому коефіцієнт теплопередачі розраховується методом послідовного наближення. Для цього задаються декількома значеннями q і знаходять , К, .

Теплонапруження поверхні теплообміну можна визначити, побудувавши навантажувальну характеристику апарата . Однак, знаючи середній температурний напір у апараті, що розраховується, теплонапруження його поверхні теплообміну легко визначити інтерполяцією даних.

Тоді коефіцієнт теплопередачі К, Вт/(м^2.0С), в холодильнику-конденсаторі дорівнюватиме:

.

Поверхня теплообміну , м², холодильника-конденсатора становить .

7.1.5 Перевірка температури стінки труби

Середня температура, ⁰С, стінки труби:

.

7.1.6 Кількість теплообмінних апаратів

Розрахункова кількість теплообмінних апаратів раніше обраного типорозміру становить

.