Расчет теплообменного аппарата

Решение:

1. Определение тепловой мощности теплообменника.

Для определения тепловой мощности теплообменного аппарата целесообразно воспользоваться уравнением теплового баланса, которое в данном случае записывается так:

0,96 ∙ Q_отдан = Q_получ = Q_т.о.;

0,96 ∙ М_г ∙ с_г ∙ ( - ) = М_в ∙ с_в ∙ ( - );

В уравнении теплового баланса неизвестны три величины : с_г, с_в, . Определим эти величины:

1. Считая теплоемкость (массовую) постоянной:

с = , с_р = .

1. Определим для газовой смеси и μ газа:

_газа = ^{3 ат} ∙ r_CO2+H2O + ^{2 ат} ∙ r_N2+O2;

r_CO2+H2O = r_CO2 + r _H2O = 0.2;

r_N2+O2 = r_N2 + r_O2 = 0.8;

_газа = 37.7 ∙ 0.2 + 29.3 ∙ 0.8 = 31 кДж/(кмоль∙ ˚С).

_г = μ_N2 ∙ r_N2 + μ_O2 ∙ r_O2 + μ_CO2 ∙ r_CO2 + μ_H2O∙ r _H2O;

_г = 28 ∙ 0.6 + 32 ∙ 0.2 + 44 ∙ 0,15 + 18 ∙ 0,05 = 30,7 кг/кмоль.

2. Определим и μ для воздуха:

_возд = 29,3 кДж/(кмоль∙ ˚С).

_возд = μ_N2 ∙ r_N2 + μ_O2 ∙ r_O2;

_возд = 28 ∙ 0,6 + 32 ∙ 0,2 = 28,8 кг/кмоль.

Подставляя результаты в формулу для нахождения массовой теплоемкости, имеем:

с_г = = 1,009 кДж/(кмоль∙ ˚С).

с_рв = = 1,02 /(кмоль∙ ˚С).

2. Выразим из уравнения теплового баланса:

= - ;

= 400 - = 244˚С.

3. Q_т.о. по левой части уравнения теплового баланса равен:

Q_т.о. = 0,96 ∙ М_г ∙ с_г ∙ ( - ) ;

Q_т.о. = 0,96 ∙ 51 ∙ 1,009 ∙ (400 – 244) = 7706,49 кВт;

4. Q_т.о. по правой части уравнения теплового баланса:

Q_т.о. = М_в ∙ с_в ∙ ( - );

Q_т.о. = 55 ∙ 1,02 ∙ (300 – 160) = 7854 кВт;

5. Определяем невязку Q_т.о.:

∆Q_т.о. = ;

∆Q_т.о. = = 0,002%.

6. Определим тепловую мощность:

Q_т.о. = ;

Q_т.о. = =7780 кВт.

2. Определение площади поверхности теплообмена.

Для определения площади поверхности теплообмена воспользуемся уравнением теплопередачи:

Q_т.о. = k ∙ F ∙ ∆t_ср;

F = .

В уравнении для нахождения площади поверхности теплообмена неизвестны две величины: ∆t_ср и k.

Определим эти величины:

1. Определим ∆t_ср :

∆t_ср = ;

1. Для того чтобы определить значения изобразим график изменения температуры по площади поверхности теплообмена:

= 400 - 300 = 100˚С

=244 – 160 = 84˚С

Подставляя полученные значения в формулу находим ∆t_ср :

∆t_ср = = 92 ˚С.

2. Определение коэффициента теплопередачи k:

k_т.п. = ;

В данном случае величиной сопротивления теплопроводности стенки можно пренебречь, тогда

k_т.п. = ;

1. Определим коэффициент теплоотдачи газа α₁:

α₁ = 0,021 ∙

Значения λ_г и η_г определяем по таблице данных, но для средней температуры газа.

1. Найдем среднюю температуру газа:

t _ср.г. = ;

t _ср.г. = = 322˚С.

2. Определим теплопроводность газа λ_г:

λ_г⁽⁺³²²⁾ = ;

λ_г⁽⁺³²²⁾ = 0,0429 Вт/ (м ∙ ˚С).

3. Определим абсолютную вязкость газа η_г:

η_г⁽⁺³²²⁾ = ;

η_г⁽⁺³¹⁷⁾ = 28,3 = 29,04 ∙10^-6 Па ∙с.

4. Определение эквивалентного диаметра d_экв:

d_экв = – d;

d_экв = – 0,032 = 0,01 м.

5. Определение плотности газа ρ_газа:

ρ_газа = ;

ρ_газа = = 0,54 кг/м³.

Подставляя найденные значения в формулу определения коэффициента теплоотдачи газа, получаем:

α₁ = 0,021 ∙

α₁ = 73,1025 Вт/(м² ∙ ˚С).