Тепловой расчет
Теплообменник работает в условиях высокого давления, коррозионной среды и высоких температур. Конструкция теплообменника должна быть компактной, простой и надёжной в работе. В соответствии с этими требованиями выбираем кожухотрубчатый теплообменник с легированными стальными цельнотянутыми трубами, диаметр, длина и другие параметры принимаются согласно сортамента.
Исходя из коррозиционной активности хлорбензола, принимаем, что нагреваемый хлорбензол проходит по трубам, а водяной пар по межтрубному пространству.
Физические свойства теплоносителей при их средних температурах:
Хлорбензол:
плотность жидкости r= 1029 кг/м3,
теплопроводность l = 0,117 Вт/(м×К),
вязкость жидкости m = 0,36*10-3 Па×с,
теплоемкость жидкости c = 1508 Дж/(кг×К),
Водяной пар:
удельная теплота конденсации r = 2120000 Дж/(кг*К),
Стенка:
теплопроводность стали lст = 46,5 Вт/(м×К),
тепловая проводимость загрязнений 1/rзагр.≈ 5800 Вт/(м2×К),
со стороны пара
тепловая проводимость загрязнений 1/rзагр.≈ 5800 Вт/(м2×К),
со стороны хлорбензола
теплопроводность l = 0.1095Вт/(м×К),
вязкость m =0.275*10-3 Па×с,
теплоемкость c = 1655 Дж/(кг×К),
Температурная схема:
151,7— 151,7
30 → 130
Δtб=121,7 Δtм=21,7;
Рис. 5
Средняя разность температур:
Δtср=(Δtб-Δtм)/ln(Δtб/Δtм)=(121,7-21,7)/ln(121,7/21,7)=58oC=58oK; 1
Средняя температура хлорбензола:
t2=t1-Δtср=151.7-58=93.7oC;
Расход хлорбензола:
G2=20000/3600=5.55 кг/с;
Объёмный расход хлорбензола:
V2=G2/p2=5.55/1029=0.00539 м3/с;
Расход тепла на нагрев хлорбензола:
Q=G2c2(t2к-t2н)=5,55*1508*(130-30)=836940 Вт;
1 - [2, c 226]
Расход сухого греющего пара с учётом 5% потерь теплоты:
G1=1.05Q/r=1.05*836940/2120*103=0.4 кг/с;
Ориентировочно определяем величину площади поверхности теплообмена:
F=Q/K*Δtср=836940/500*58=28.86 м2;
Скорость течения хлорбензола при Re2>10000 должна быть больше ω2`:
ω2`=10000μ2/d2p2=10000*0.36*10-3/0.021*1029=0.166 м/с;
Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объёмный расход хлорбензола при Re2=10000:
n`=V2/0.785d22 ω2`=0.00539/0.785*0.0212*0.166=93.8;
Выбираем шестиходовой теплообменник:
F =31 м2,
D =600 мм,
N =196, (в одном ходе 32,6)
L =2 м,
Sт=1,1*102 м2,
Sм=4,5*102 м2,
np=14.
Значение критерия Re2:
Re2=10000*(n`/n)=10000*(93.8/32.6)=28773;
Критерий Приндтля для хлорбензола при 930C:
Pr2=c2*μ2/λ2=1508*0.36*10-3/0.117=4.64;
Вычисляем критерий Нусельта:
Nu2=dвн. тр*Re20.8*Pr20.43*(Pr2/Prст.2)0.25εl=0.021*287730.8*4.640.43*1.05*1=157;
Отношение (Pr2/Prст.2)0.25 принято равным 1,05 (с последующей проверкой).
Вычисляем коэффициент теплоотдачи:
α2=Nu2*λ2/dвн=157*0.117/0.021=874 Вт/(м2*К);
Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб:
В нашем случае известноG1 =0,4 кг/с и N=196. Поэтому используем зависимость α1=f(n, L, G) с учетом влияния примеси воздуха 0,5%
α1=2.02*ε*εг* Bt(n/G1)1/3L1/3=2.02*0.62*0.6*1132*(196/0.4)1/3*L1/3=6706
где ε-коэффициент для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали np=14, ε=0,62; εг –коэффициент, зависящий от содержания воздуха в паре εг=0,6; Bt=1132.
Зададимся длиной труб равной 2 м. Имеем:
α1 = 6706*21/3 = 8447 Вт/(м2*К);
Рассчитываем тепловую проводимость загрязнений:
со стороны греющего пара 1/rзагр.1≈ 5800 Вт/(м2*К),
со стороны хлорбензола 1/rзагр.2≈ 5800 Вт/(м2*К)
1/∑ст=1/1/5800+0,002/46,5+1/5800=2580 Вт/(м2*К);
Коэффициент теплопередачи:
K=1/1/α1+1/∑rст+1/α2=1/1/8447+1/2580+1/874=606 Вт/(м2*К);
Поверхностная плотность теплового потока:
q=K*Δtср=606*58=35148 Вт/м2;
Проверяем принятое значение (Pr2/Prст.2)0.25. Определяем:
Δt2=q/α2=35148/874=40oC;
tст.2=t2+Δt2=93+40=133oC;
Prст.2=cст.2μст.2/λст.2=1655*0.275*10-3/0.1095=4.15;
Следовательно:
(Pr2/Prст.2)0.25=(4,64/4,15)0,25=1,028;
Было принято (Pr2/Prст.2)0.25=1,05. Разница ~ 2%. Расчет K закончен.
Расчетная площадь поверхности теплообмена:
Fр=Q/K*Δtср=836940/606*58=23,81 м2;
Коэффициент теплоотдачи α1=8447 >> α2=874 Вт/(м2*К), поэтому расчетным диаметром при определении поверхности труб следует принять dвн=0,021 м.
Аппарат с =2 м имеет площадь поверхности теплообмена:
F=π*d*n*L=3.14*0.021*196*2=25.84 м2;
Запас площади поверхности теплообмена:
((25,84-23,81)/23,81)*100%= 8,52%;
Запас площади поверхности теплообмена достаточен.
Произведем уточненный расчет.
Уточняем скорость движения хлорбензола в трубном пространстве:
ωв=G1/ρ*Sт=5,55/1029*0,011=0,49 м/с;
Для определения уточненного критерия Рейнольдса находим значение dэ:
dэ=D2-n*d2внешн./D+n*d внешн=.0.62-196*0.0252/0.6+196*0.025=0.043 м;
Уточненный критерий Рейнольдса:
Reут.=ωв*dэ*ρ/μ=0.49*0.043*1029/0.36*10-3=60225;
Критерий Нуссельта:
Nu=1.72*(dэ*Reут.)0.6*Pr0.33=1.72*(0.043*60225)0.6*4.640.33=318;
Коэффициент теплоотдачи:
α=Nu*λ/dэ=318*0,117/0,043=865 Вт/(м2*К);
Коэффициент теплопередачи:
K=1/1/α1+1/∑rст+1/α=1/1/8447+1/2580+1/865=601 Вт/(м2*К);
Площадь поверхности теплообмена:
F=Q/K*Δtср=836940/601*58=24 м2;
Таким образом, уточнённый расчёт поверхности теплообмена согласуется с ранее выполненным.
Запас площади поверхности теплообмена:
((25,84-24)/24)*100%=7,66%;
Уточненный расчёт закончен.