Материальные и тепловые расчеты

Общая часть

1. Определим расход теплоты и расход воды. Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (бензол + толуол), индекс «2» — для холодного теплоносителя (вода).

Предварительно найдем среднюю температуру воды:

t2 = 0,5 (10 + 25) = 17,5 С;

среднюю температуру смеси бензол-толуол:

= 31 + 17,5 = 48,5 С; (3.1).

где — средняя разность температур, равная при потоке теплоносителей 31 С.

+80,5 25 С;

+25 10 С;

;

= 31 С; (3.2).

Без учета потерь тепла расход теплоты:

Вт; (3.3).

расход воды аналогично (3.3) выразив через расход:

кг/с; (3.4).

где =1927 Дж/(кг К) и =4190 Дж/(кг К) — удельные теплоемкости смеси и воды при их средних температурах =48,5 С и =17,5 С [1, рис. XI и таб. XXXIX].

Объемные расходы смеси и воды:

где и — плотность смеси берем как для чистого бензола, так как содержание толуола не велико и изменение плотности очень не значительное [1, таб. IV] и воды [1, таб. XXXIX].

Наметим варианты теплообменных аппаратов

Для этого определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая Кор = 500 по [1, таб. 4.8], т. е. Приняв его таким же, как и при теплообмене от жидкости к жидкости для воды:

; (3.7).

Из величины = 23 следует, что проектируемый теплообменник может быть много ходовым. Поэтому для правильности расчета нужно сделать поправку для многоходовых теплообменников.

В аппаратах с противоточным движением теплоносителей при прочих равных условиях больше чем в случае прямотока. При сложном взаимном движении теплоносителей принимает промежуточные значения, которые учитывают, вводя поправку к средне логарифмической разности температур для противотока.

; (3.8).

где; ;

; ;

;; ;

;

Рассчитаем коэффициент по формуле (3.8).

;

= С; (3.9).

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Смесь бензол-толуол направим в трубное пространство, так как это активная среда, воду — в межтрубное пространство.

В теплообменных трубах 25*2 мм холодильников по ГОСТ 15 120–79 скорость течения смеси при Re 2 > 10 000 должна быть более.

где — вязкость смеси при 48,5 С; [1, с. 556].

Число труб, обеспечивающих такой режим, должно быть:

; (3.11).

т.е. число труб n < 44,9 на один ход.

Выберем варианты теплообменников [2, таб. 2.3]:

Теплообменник «кожухотрубный» D = 600; d = 25*2; z=6; n/z = 32,7;

SВ.П. = 0,037; F = 61; L = 4 м; SВ.П. = 0,011.

2. Теплообменник «кожухотрубный» D = 600; d = 25*2; z=4; n/z = 51,5; SВ.П. = 0,04; F = 65; L = 4 м; SВ.П. = 0,018.

Вариант 1. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15 120−79).

Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более.

Составим схему процесса теплопередачи.

а) В трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для смеси бензол-толуол.

; (3.12).

;

; (3.13).

;

где =0,14 Вт/(м К) — коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].

Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентного течения смеси:

; (3.14).

где примем равному 1, и соотношение =1 с дальнейшей поправкой.

Коэффициент теплоотдачи смеси бензол-толуол к стенке:

; (3.15).

б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве.

; (3.16).

Критерий Рейнольдса для воды:

; (3.17).

где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;

Критерий Прандтля для воды при +17,5 С:

; (3.18).

где =0,59 Вт/(м К) — коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10 000.

; (3.19).

где — плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX];; и — плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.

;

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28].

; (3.20).

примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 17,5 С и температуре стенки соответственно по формуле (3.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для воды:

; (3.21).

Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI]:

; (3.22).

;

Коэффициент теплопередачи:

; (3.23).

Поверхностная плотность потока:

; (3.24).

Определим ориентировочно значения и, исходя из того, что.

; (3.25).

где сумма .

Найдем:

С; (3.26).

С; (3.27).

С; (3.28).

Проверка: сумма ;

12,3 + 4,3 + 8,5 = 25,1 С;

Отсюда.

С; (3.29).

С; (3.30).

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив. Критерий Прандтля для смеси бензол-толуол при С;

; (3.31).

где [1, с.262]; [1, с.556]; [1, с.561].

Коэффициент теплоотдачи для смеси:

Коэффициент теплоотдачи для воды:

где [1, таб. XXXIX];

Исправленные значения К, q, и (3.23):

;

; (3.34).

С; (3.35).

С; (3.36).

(3.38).

Дальнейшее уточнение, и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 5%.

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

; (3.39).

Запас.

Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более.

а) В трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для смеси бензол-толуол. Рассчитаем Рейнольдс по формуле (3.12).

;

Критерий Прандтля (3.13).

;

где =0,14 Вт/(м К) — коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10 000.

где — плотность воды при 48,5 С [1, таб. XXXIX];; и — плотности смеси при 25 и 80,5 С; =0,45 Па с [1, с.556] - динамический коэффициент вязкости смеси при 48,5 С.

;

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28].

Примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость смеси бензол-толуол при 48,5 С и температуре стенки соответственно. Рассчитаем по формуле (3.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для смеси бензол-толуол (3.15):

;

б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве (3.16).

;

Критерий Рейнольдса для воды (3.17):

;

где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;

Критерий Прандтля для воды при +17,5 С (3.18):

;

где =0,59 Вт/(м К) — коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10 000 (3.19).

;

где — плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX];; и — плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.

;

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28].

Примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 17,5 С и температуре стенки соответственно (3.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для воды (3.21):

;

Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI] (3.22):

;

Коэффициент теплопередачи (3.23):

;

Поверхностная плотность потока (3.24):

;

Определим ориентировочно значения и, исходя из формулы (3.25).

Найдем:

С; (3.26).

С; (3.27).

С; (3.28).

Проверка: сумма ;

13,9 + 3,6 + 7,6 = 25,1 С;

Отсюда.

С; (3.29).

С; (3.30).

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив. Для смеси бензол-толуол при С и воды при С;

Коэффициент теплоотдачи для смеси (3.33):

где — кинематическая вязкость [1, с.556].

Коэффициент теплоотдачи для воды (3.33):

где — вязкость воды при температуре стенки [1, таб. XXXIX];

Исправленные значения К, q, и (3.23),(3.34),(3.35) и (3.36):

;

;

С;

С;

Проверка расхождения по формулам (3.37) и (3.38).

Дальнейшее уточнение, и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 5%.

Расчетная площадь поверхности теплопередачи (3.39):

;

Запас.