Тепловая нагрузка аппарата

 

Q = G₁c₁(t_1н - t_1к),

 

где с₁= 3060 Дж/кг∙К - теплоемкость этилового спирта,

G₁ - массовый расход этилового спирта.

G₁ = 35000/3600 = 9,72 кг/с,

Q = 9,72∙3060 (80-35)=1338444 Вт.

 

Массовый расход воды

 

G₂= Q/(с₂(t_2к - t_2н)),

 

где с₂ = 4178 кДж/кг·К - теплоемкость воды.

G₂ =1338444/(4,182∙10³∙(55-20))=9,14 кг/с.

 

Объемный расход воды

^в = G^в/ρ^в

_в= 9,14/998 = 0,0091 м³/с

 

Ориентировочный выбор теплообменника

 

Так как при непрерывно изменяющихся температурах теплоносителей лучшие результаты (снижение расхода теплоносителей) дает противоточное движение, то принимаем противоточную схему движения теплоносителей: пар поступает в межтрубное пространство, а раствор двигается по внутренней трубе [6 c. 729].

 

F = Q/(KDt_ср) = 861,415×10³/(699×27,9) = 44 м².

Принимаем теплообменник с близкой поверхностью теплообмена [6 c. 739]:

 

Поверхность теплообмена, м2	Ширина канала, мм	Ширина ленты, мм	Длина канала, м	Площадь поперечного сечения канала, м2	Пропускная способность при скорости 1 м/секм3/ч	Масса, кг	Материал ленты по ГОСТ 5632-72
40	12	1000	20	0,012	43,2	2800	12Х18Н10Т

Уточнённый расчёт теплообменного аппарата

Размер каналов

 

Задаемся скоростью движения бензола w₁ = 1 м/с, тогда площадь поперечного сечения канала составит:

 

S₁ = G₁/(r₁w₁) = 5,55/(868×1) = 0,0064 м²,

 

где r₁ = 868 кг/м³ - плотность бензола;

При ширине канала b₁ = 12 мм высота ленты должна составлять:

h = S₁/b₁ = 0,0064/0,012 = 0,53 м;

принимаем по ГОСТ 12067-80 h = 0,6 м;

ширину второго канала принимаем b₂ = b₁ = 0,012 м;

толщина листа  = 3,5 мм.

 

Коэффициент теплоотдачи от бензола к стенке

 

Эквивалентный диаметр канала:

 

d_эк = 2bh/(b+h) = 2×0,012×0,6/(0,012+0,6) = 0,0235 м.

 

Скорость движения бензола:

 

w₁ = G₁/(bhr₁) = 5,55/(0,012×0,6×868) = 0,88 м/с.

 

Критерий Рейнольдса:

 

Re₁ = w₁d r₁/m₁ = 0,88×0,0235×868/0,360×10^-3 = 49862,

где m₁ = 0,360×10^-3 Па×с - вязкость бензола.

Критерий Нуссельта:

 

Nu₁ = 0,021×Re₁^0,8×Pr₁^0,43×(Pr₁/Pr_ст1)^0,25.

 

Критерий Прандтля:

 

Pr₁ = сμ/λ = 1,826·0,36/0,1338 = 4,9.

 

где l₁ = 0,1338 Вт/(м×K) - теплопроводность бензола.

Принимаем в первом приближении (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 = 1, тогда

Nu₁ = 0,021×49862^0,8×4,9^0,43 = 238,35.

a₁ = Nu₁l₁/d = 23835×0,1338/0,0235 = 1357 Вт/(м²×K)

 

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде

 

Скорость движения воды:

 

w₂ = G₂ /(bhr₂) = 10,308/(0,012×0,6×995) = 1,44 м/с,

 

где r₂ = 995 кг/м³ - плотность воды.

Критерий Рейнольдса:

 

Re₂ = w₂d r₂/m₂ = 1,44×0,0235×995/0,797×10^-3 = 41348,

 

где m₁ = 0,797×10^-3 Па×с - вязкость воды.

Критерий Нуссельта:

 

Nu₂ = 0,021×Re₂^0,8×Pr₂^0,43×(Pr₂/Pr_ст2)^0,25.

 

Критерий Прандтля для воды определяем по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»:

Pr₂ = 6,286

Примем в первом приближении (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 = 1, тогда

Nu₂ = 0,021×41348^0,8×6,286^0,43 = 228,4.

₂ = Nu₂l₂/d = 228,4×0,615/0,0235 = 5977,3 Вт/(м²×K).

теплообменник аппарат охлаждение спирт

где l₂ = 0,615 Вт/(м×K) - теплопроводность воды.

 

Тепловое сопротивление стенки

 

,

 

где l_cт =17,5 Вт/(м×К) - теплопроводность нержавеющей стали

r₁=r₂=1/5800 м×К / Вт - тепловое сопротивление загрязнений

 = (0,0035/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,4×10^-4 м×К / Вт.

 

Коэффициент теплопередачи

 

 =1/(1/1357+ 5,4×10^-4 + 1/5977,3) = 689,65 Вт/(м²×К).

 

Рассчитываем температуру стенки:

 

t_ст1 = t_cр1 - KDt_ср/a₁ = 67,5 - 689,65×27,9/1357 = 53,3° С

t_ст2 = t_cр2 + KDt_ср/a₂ = 28 + 689,65×27,9/5977,3 = 28,1° С

 

Уточняем коэффициенты теплоотдачи при температуре стенки по монограмме «Значения критерия Прандтля для жидкостей»: Pr_1ст = 5,8

a_1ут = 1357×(6,286/5,8)^0,25 = 1384 Вт/(м²×К).

Pr_2ст = 6,3

a_2ут = 5977,3×(6,286/6,3)^0,25 = 5974 Вт/(м²×К).

Уточненный коэффициент теплопередачи:

K = 1/(1/1384 + 5,4×10^-4+1/5974) = 699 Вт/(м²×К)

Проверяем температуру стенки

 

t_ст1 = t_cр1 - KDt_ср/a₁ = 67,5 - 699×27,9/1384 = 53,4° С

t_ст2 = t_cр2 + KDt_ср/a₂ = 28 + 699×27,9/5974 = 31,2° С

 

Полученные значения близки к ранее принятым.

 

Поверхность теплопередачи

 

Поверхность теплообмена рассчитываем исходя из основного уравнения теплопередачи:

 

F = Q/(KDt_ср) = 861,415×10³/(699×27,9) = 44 м².

 

Так как теплообменник с ближайшей большей поверхностью F = 40 м² изготовляется с шириной листа 0,7 или 1,0 м, то принимаем к установке два последовательно соединенных теплообменника с поверхностью теплообмена 20,0 м² каждый.

Конструктивный расчет

 

Задачей конструктивного расчета теплообменных аппаратов является определение их основных размеров. Конструктивный расчет выполняется в зависимости от типа аппарата. Детальный расчет проводится в том случае, если нет возможности выбрать стандартный теплообменник серийного производства. При выборе стандартного теплообменника конструктивный расчет сводится к определению диаметра и подбора штуцеров.

 

Длина спирали

 

l = F/(2h) = 20,0/(20,6) = 16,7 м

 

Расчет штуцеров

 

Принимаем скорость жидкости в штуцере w_шт = 1 м/с.

Штуцер для входа и выхода бензола:

 

 = [5,55/(0,785×1×868)]^0,5 = 0,09 м,

 

принимаем d₁ = 10 мм.

 

Штуцер для входа и выхода воды:

 

 = [10,308/(0,785×1×995)]^0,5 = 0,01 м,

 

принимаем d₂ = 10 мм.

Число витков спирали

 

Шаг спиралей t₁ = t₂ = b + d = 0,012 + 0,035 = 0,0155 м.

Принимаем радиус полувитка с учетом расположения штуцера r = 0,2 м.

Число полувитков первой спирали:

 

=(0,5-0,2/0,0155)+ [(0,2/0,0155)²+2×16,7/(p×0,0155)]^0,5 = 16,6.

 

Число полувитков второй спирали:

 

=(0,0155-0,5×0,0155-0,2)/0,0155+{[(0,2+0,5×0,0155-0,0155)/0,0155]²+2×16,7/(p×0,0155)}^0,5 = 16,6.

 

Диаметр аппарата

 

D = 2 [r₁ + (n₂ + 1) t₂ - t₁] + 2d =2×[0,2 + (16,6 + 1)×0,0155 - 0,0155]+0,0035 = 0,92 м,

 

принимаем D = 1000 мм.

 

Выбор опор аппарата

 

Масса теплообменника:

 

m = m₁+m_в+m₂,

где m₁ - масса спиралей,

m_в - масса воды заполняющей аппарат при гидроиспытании,

m₂ - масса вспомогательных элементов (фланцев, штуцеров).

 

m₁ = 2hLdr_ст = 2×0,6×16,7×0,0035×7900 = 554 кг,

 

где r_ст = 7900 кг/м³ - плотность стали.

 

m_в = (0,785D²h - 2hLd)r_в =

= (0,785×1,0²×0,6 - 2×0,6×16,7×0,0035) 1000 = 401 кг.

 

m₂ принимаем 5% от основного веса аппарата. Тогда

 

m_p = 1,05 (m₁+m_в) = 1,05 (554+401) = 1002 кг = 10,02 кН.

 

Принимаем для аппарата две опоры в виде лап. Нагрузка на одну опору:

 

G = m/2 = 100,2/2 = 5,01 кН

 

Выбираем опору с допускаемой нагрузкой 6,3 кН, конструкция которой приводятся на рисунке:

 

Уплотнение каналов

 

Каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. Такой способ предотвращает смешение теплоносителей при в случае неплотности в прокладки. Кроме того, этот тип уплотнения позволяет легко очистить каналы при их загрязнении.

Гидравлический расчет

 

Задачей гидравлического расчета является определение гидравлического сопротивления аппарата и выбор насоса для подачи жидкого теплоносителя.

 

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: