ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ПРОЦЕССА

1.1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ПРОЦЕССА

 

В самом общем случае температуры теплоносителей могут изменяться, а могут оставаться постоянными вдоль поверхности теплопередачи. Часто встречаются такие варианты, когда температура одного теплоносителя не изменяется, в то время как другого - изменяется (увеличивается или уменьшается). В этих случаях для расчета процесса теплопередачи вводят понятие о средней движущей силе процесса теплопередачи.

На практике среднюю движущую силу процесса теплопередачи рассчитывают следующим образом [1]:

∆tб - ∆tм

∆tср = ───────── (6)

ln (∆tб / ∆tм )

где  ∆tб = t^г_н – t^х_н =89° – 15° = 74°C

∆tм = t^г_н –t^х_к = 89° – 45° = 44°C

74 - 44

∆tср = ─────────── = 58°C

ln (74 / 44)

1.1.3.ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНИХ ТЕМПЕРАТУР ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

Процесс конденсации насыщенного водяного пара ведётся при постоянной температуре. Эта температура и будет средней температурой горячего теплоносителя. Среднюю температуру холодного теплоносителя вычислим по формуле:

t^х_ср  = t^г_ср - ∆t_ср = 89° - 58° =31°С

1.1.4. НАХОЖДЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

 

Вначале на первом этапе принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор. и рассчитываем ориентировочное значение теплопередающей поверхности Fор. По уравнению (2) . После этого по ориентировочному значению теплопередающей поверхности подбираем по табличным данным нормализированный вариант конструкции теплообменного аппарата, а затем проводим уточнённый расчёт коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи и требуемой поверхности ( Fрасч. ).

Примем Кор. =300 Вт/м²град. [ 2 ]

По уравнению (2 ) рассчитаем ориентировочную поверхность теплообмена:

716310,45

Fор. = ──────── = 41 м²

 300 · 58

Рассчитав Fор. Подбираем по каталогам нормализированные варианты теплообменных аппаратов.

Для каждого из аппаратов рассчитываем критерий Рейнольдса [1]:

Re = ω · dэ · ρ / μ (7)

где ω – линейная скорость потока м/с ,

Dэ – диаметр эквивалентный  м ,

 ρ – плотность вещества  кг/м³ ,

μ – вязкость вещества Па/с

Скорость рассчитываем по формуле:

ω = М / ρ·S  (8)

где  М – массовый расход теплоносителя кг/с ,

ρ – плотность вещества кг/м³ ,

S – площадь сечения одного хода по трубам м² ,

Таблица 2 Параметры кожухотрубчатых теплообменников и холодильников в соответствии с ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 [ 2 ]

№ №	Дк. мм	Дтруб, мм	Число ходов	Общее число труб, шт.	Поверхность теплообмена (м²) при длине труб,м (рассчитана по наружному диаметру труб)		Площадь самого узкого сечения потока в межтрубном пространстве м²	Площадь сечения одного хода по трубам, м²	ω	Re
					2	4
11	400	20х2	1	181		46	0,017	0,036	0,05	953,89
22	400	20х2	2	166		42	0,017	0,017	0,106	2021,18
33	600	20х2	4	334	42		0,041	0,016	0,113	2149,11
44	600	20х2	6	316	40		0,037	0,009	0,2010	3819,38
55	600	25х2	1	257	40		0,040	0,089	0,0203	506,28

Выбираем теплообменник №4, так как у него значение Рейнольдса наибольшее и равно 3819,38. Режим переходный 2300<Re<10000.

Метод и уравнение для расчёта коэффициентов теплоотдачи определяются, главным образом, характером теплообмена, условиями гидродинамического взаимодействия теплоносителя с поверхностью теплообмена и конструкцией теплообменного аппарата.

Теплоотдача при плёночной конденсации насыщенного пара на наружной поверхности пучка вертикальных труб рассчитывается по уравнению [1]:

 _________________

α^г  = 3,78 · λ · ³√ ρ² ·N · dн / μ ·G^г (9)

где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К ,

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя

при определяющей температуре, Вт/мК ,

μ – вязкость теплоносителя при определяющей температуре  Па*с,

ρ – плотность вещества, кг/м³ ,

λ, μ, ρ – для плёнки конденсата,

N – количество трубок в кожухотрубчатом теплообменнике,

dнар. – наружный диаметр трубок в теплообменнике, м,

G^г – расход горячего теплоносителя, кг/с,

λ см = λ2 ( х₂ ) + λ₁ ( 1-х₂ ) – 0,72 ( λ₂ - λ ₁) · х₂ ( 1 – х₂ ) (10)

λ⁸⁹_бензол=0,1283 Вт/м ч град,  

 λ⁸⁹_толуол=0,1214 Вт/м ч град , [1]

λсм = 0,1283 · 0,78 + 0,1214 (1- 0,78) – 0,72 (0,1283 – 0,1214) · 0,78 (1 – 0,78) =  0,1259215 Вт/ мК

ρ⁸⁹_б = 797,4 кг/м³ ;  ρ⁸⁹_{т =}792 кг/м³ [ 1 ]

1 хб хт

──── = ───── + ─────  (11)

ρсм ρб ρ

1 0,78 0,22

──── =  ──── + ─────

ρсм 797,4 792

ρсм = 796.812  кг/м³

lgμсм = х₁ lgμ₁ + x₂ lgμ₂ (12)

х₁ , x₂ –мольные доли компонента в смеси кмоль комп. / кмоль см ,

μ⁸⁹_{бензола} = 0,000294 Па с; μ⁸⁹_{толуола} = 0,0002998 Па с [ 1 ]

lgμсм = 0.92 · lg0.000294 + 0.08 · lg0.0002998 = 0.275 · 10^-3 Па*с

6500

G^г  = ──── = 1,8 кг/с

3600

По формуле ( 9 ) найдём коэффициент теплоотдачи:

_________________________________

α_конд^верт = 3,78 · 0,1259 · ³√ (796)² · 316 · 0,020 /0,2750 ·10^-3 · 1,80

α_конд^верт = 954,54 Вт/м²

Для нахождения коэффициента теплоотдачи холодного теплоносителя воспользуемся формулой:

Nu · λ

α^х = ─────── (13)

d_э

где Nu – критерий Нуссельта,

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя при определяющей температуре Вт/ мК ,

d_э  - внутренний диаметр трубок в теплообменнике м,

Переходное течение жидкости в прямых трубах и каналах рассчитывается по формуле [1]:

Nu = 0.008 Re^0.9 · Pr^0.43 (14)

Cp ·μ

Pr = ────── (15)

 λ

Cp³¹_вода  = 4183,5 Дж/кг град , [1]

μ³¹_вода =0,840·10^-3 Па*с, [1]

λ³¹_вода = 0.61813  Вт/ мК, [1]

4183,5·0,840·10^-3

Pr = ───────────── = 5.6851

0.61813

 

Nu = 0.008 (3819.38)^0.9 · (5.6851)^0.43 = 28.27

По формуле (13) найдём коэффициент теплоотдачи :

28,27 · 0,633

α^х = ───────── = 1118,43 Вт/м²К

0,0016

Коэффициент теплопередачи рассчитывается с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений с учётом наличия загрязнений по обе стороне теплопередающей стенки [1]:

1 1  δ_ст  1

─── = ──── + ─── + r_зг + r_зх + ──── (16)

К  α^г   λ_ст α^х

 

δ_ст = 0,002 м [2]

λ_ст  = 17.5 Вт/мК [1]

r_зг = 1900 Вт/м²К [2]

r_зх = 5800 Вт/м²К  [2]

 1 1 0,002 1 1 1

─── = ─── + ───── + ─── + ─── + ───── = 0,00275341 Вт/м²град

 К 954,54 17,5 5800 1900 1118,43

 Красч. = 363 Вт/м²град

По формуле (2) найдём расчётную поверхность:

716310,45

Fрасч. = ──────── = 34 м²

363 · 58

Далее проводим сопоставление выбранного варианта нормализированного теплообменника с расчётным по величине коэффициента запаса В:

Fст. – Fрасч.

В = ──────── · 100 % (17)

Fст

 41 - 34

В = ──────· 100 % = 17 %

41

Допускается, как правило, превышение стандартной поверхности нормализованного теплообменника над расчётной не более чем 20 %.

1.2. РАСЧЁТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Целью расчёта тепловой изоляции является определение необходимой толщины слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. Температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45°С.

Расчёт толщины теплоизоляционного слоя материала проводят по упрощённой схеме, используя следующие уравнения [1]:

Qп = αн · F(tиз. – tокр. ) (17)

λиз.

Qиз =. ──── · F( tст. – tиз. ) (18)

δиз.

Так как Qп = Qиз , то из этого следует :

λиз. ( tст. – tиз. )

δиз. = ───────── (19)

αн (tиз. – tокр. )

где α – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду, Вт/м²К,

 δиз. – толщина материала изоляции, мм,

λиз. – коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/мК,

tст., tокр. , tиз. – соответственно температуры наружной стенки аппарата, окружающей среды, наружной поверхности теплоизоляционного материала °С,  

Коэффициент теплоотдачи, который определяет суммарную скорость переноса теплоты конвекций и тепловым излучением для аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре до 150°С можно рассчитать по приближённому уравнению:

αн = 9,74 + 0,07∆t  (20)

Выбираем теплоизоляционный материал – стеклянная вата.

Задаём температуры:

Tст = 89°С

Tокр = 25°С

 tиз. = 40°С

 λиз. = 0,05 Вт/мК [1]

Рассчитываем значение коэффициента теплоотдачи :

∆t = tиз - tокр. = 40° - 25° = 15°С

αн = 9,74 + 0,07 * 15°С = 10,79

По уравнению (19) найдём толщину материала изоляции:

0,045 (89 – 40)

 δиз. =  ───────── = 13,3 мм

10,79 ( 40-25 )

1.3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Основной целью гидравлического расчёта теплообменных аппаратов является определение затрат энергии на перемещении жидкости через теплообменник и подбор насоса или вентилятора.

В общем случае мощность N [кВт],потребляемая двигателем насоса рассчитывается по уравнению [1]:

V · ∆Рп

N = ───────── (21)