Исходные данные

Хладагент – уксусная кислота.

Массовый расход хладагента .

Начальная температура хладагента .

Конечная температура хладагента по условию равна его температуре кипения.

Теплагент – насыщенный водяной пар.

Температура пара по условию на 30°С выше температуры кипения смеси.

Ориентировочный расчёт Средние температуры теплоносителей и средняя движущая сила процесса теплопередачи.

Конечная температура хладагента, равная температуре кипения при атмосферном давлении, равна: .

Температура теплагента (насыщенного водяного пара) по условию выше температуры кипения смеси на 30°С. Также в условии указано, что конденсат отводится без охлаждения, то есть имеет ту же температуру, что и пар. Таким образом, температура теплагента неизменна по всей длине теплообменного аппарата и составляет: .

Этой температуре соответствует давление насыщенного водяного пара: [3, с. 6].

Профиль температур в теплообменнике по длине аппарата:

Средняя движущая сила процесса теплопередачи (средняя логарифмическая разность температур теплоносителей):

.

В том случае, если температура одного из теплоносителей неизменна, средняя по длине аппарата температура второго теплоносителя может быть вычислена через среднюю движущую силу: .

Для сравнения рассчитаем среднюю арифметическую температуру хладагента: .

Тепловая нагрузка теплообменного аппарата и расход теплагента.

Поскольку известен расход нагревающегося хладагента, то тепловая нагрузка теплообменного аппарата при отсутствии тепловых потерь в окружающую среду может быть вычислена как расход тепла на его нагрев:

,

где – средняя интегральная теплоёмкость хладагента, которая с достаточной для инженерных расчётов точностью может быть приравнена к теплоёмкости хладагента при его средней арифметической температуре.

Теплоёмкость хладагента при средней арифметической температуре хладагента находим по [3, с. 18] : .

Тепловая нагрузка теплообменника:

.

Удельная теплота фазового перехода (конденсации) насыщенного водяного пара при температуре : [2, табл. LVI; 3, с. 6].

Расход теплагента (греющего пара): .

Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи.

Ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи для кожухотрубчатых теплообменников при передаче тепла от конденсирующегося пара к органической жидкости при её вынужденном движении лежат в интервале 120÷340 Вт/(м²·К) [2, с. 172, табл. 4.8; 9, с. 47, табл. 2.1].

Возьмём в качестве ориентировочного значения коэффициента теплоотдачи для кожухотрубчатых теплообменников середину вышеуказанного интервала .

В двухтрубчатом теплообменнике интервал ориентировочных коэффициентов теплопередачи тот же, что и для кожухотрубчатых, однако режим движения более турбулентный, и значение следует взять по верхней границе интервала .

Примем коэффициент теплоотдачи в пластинчатом теплообменнике в три раза выше, чем в кожухотрубчатом .

Ориентировочная площадь поверхности теплопередачи. Кожухотрубчатый теплообменник.

Из основного уравнения теплопередачи определим поверхность теплопередачи, используя ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи.

Ориентировочная площадь поверхности теплопередачи для кожухотрубчатого теплообменника: .

С учётом минимального запаса по поверхности в 10% минимальная поверхность выбираемого кожухотрубчатого теплообменного аппарата в первом приближении составит .

С учётом максимального запаса по поверхности в 30% максимальная поверхность выбираемого кожухотрубчатого теплообменного аппарата в первом приближении составит .

Физические свойства теплоносителей

Теплагент

Плотность

Плотность насыщенного водяного пара при температуре и давлении : [2, табл. LVI].

Плотность конденсата при температуре : [3, с. 5].

Вязкость

Вязкость конденсата при температуре : [3, с. 5].

Удельная теплота фазового перехода

Удельная теплота фазового перехода (конденсации) насыщенного водяного пара при температуре и давлении : [2, табл. LVI; 3, с. 6].

Теплопроводность

Теплопроводность конденсата при температуре :

[3, с. 5].

Хладагент

Молярная масса хладагента: .

Плотность хладагента:.

Вязкость хладагента:.

Теплоёмкость хладагента:.

Теплопроводность хладагента:.

Коэффициент объёмного теплового расширения хладагента:

.

Поверочный расчёт кожухотрубчатого теплообменника

Выбор кожухотрубчатого теплообменника

Как отмечалось выше, стандартных кожухотрубчатых подогревателей нет. В качестве подогревателя используем конденсатор. Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счёт теплоты конденсации пара.

Поскольку давление в теплообменнике не превышает 1,0 МПа (давление хладагента нормальное атмосферное, теплагента 452911 Па), то следует использовать теплообменник, не имеющий устройств для компенсации температурных деформаций (КН), или с температурным линзовым компенсатором на кожухе (КК). Данные аппараты представлены в [2, табл. XXXIV; 9, с. 57, табл. 2.9].

Примем в первом приближении температуру кожуха равной температуре теплагента , а температуру труб равной средней температуре хладагента , тогда разнице температур между трубами и кожухом составит . В соответствии с [10, с. 73-75, табл. 15-16] при разнице температур между трубами и кожухом следует использовать конденсатор с линзовым компенсатором (КК).

Выберем из [9, с. 57, табл. 2.9] кожухотрубчатый конденсатор с площадью поверхности теплопередачи, превышающей ориентировочное значение не менее чем на 15%, но не более чем на 30%, то есть, лежащей в интервале от до .

Выбранные теплообменники:

Диаметр кожуха D, мм	Диаметр труб d, мм	Число ходов k	Общее число труб N	Число труб на ход n	Длина труб L, м	Поверхность FТО, м2	Масса mТО, кг
1200	20×2	6	1544	257,3	6	582	13400

Число труб теплообменника должно удовлетворять двум условиям: 1) обеспечивать развитый турбулентный режим течения жидкости в трубах Re > 10 000, 2) обеспечивать скорость в трубах не более 15 м/с, во избежание большого гидравлического сопротивления.

Определим минимальное и максимальное число труб, приходящееся на один ход теплообменника:

,

.

Выберем теплообменник:

Диаметр кожуха D, мм	Диаметр труб d, мм	Число ходов k	Общее число труб N	Число труб на ход n	Длина труб L, м	Поверхность FТО, м2	Масса mТО, кг
1200	20×2	6	1544	257,3	6	582	13400

Итерация I

Теплоотдача в межтрубном пространстве

В межтрубное пространство поступает теплагент – насыщенный водяной пар при температуре и давлении . Примем, что образующийся из пара конденсат не переохлаждается, и покидает межтрубное пространство теплообменника при той же температуре.

Плотность теплового потока: .

Вертикальный теплообменник

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве от конденсирующегося пара к стенке для вертикальных труб:

.

Теплоотдача в трубном пространстве

Эквивалентный диаметр: .

Площадь сечения трубного пространства:

.

Объёмный расход хладагента: .

Скорость течения хладагента в трубах: .

Критерий Рейнольдса для хладагента:

режим турбулентный.

Выбор расчётной формулы:

[2, ф-ла 4.17]: , где для [2, с.153, табл. 4.3].

Критерий Прандтля: .

Температура стенки: .

Вязкость хладагента при температуре стенки :.

Теплоёмкость хладагента при температуре стенки:.

Теплопроводность хладагента при температуре стенки:.

Критерий Прандтля при температуре стенки:

.

Критерий Нуссельта для развитого турбулентного режима:

.

Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве от стенок вертикальных труб к хладагенту: .