Введение
Теплообменные аппараты являются одним из наиболее распространенных видов оборудования химико-технологических процессов. На них приходится значительная доля капиталовложений в химические производства, а также значительная часть эксплуатационных расходов. Работа теплообменных аппаратов оказывает большое влияние на ведение технологического процесса и качество выпускаемой продукции.
Химические производства характеризуются большим разнообразием условий проведения тепловых процессов, они различаются по виду теплообмена, давлению, температуре и агрессивности теплоносителей. Все это обуславливает создание и изготовление различных по конструкции и назначению типов теплообменных аппаратов.
По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, в которых участвующие в процессе теплообмена среды разделены перегородкой, регенеративные, которые попеременно нагреваются за счет взаимодействия с горячей жидкостью и охлаждаются за счет взаимодействия с холодной жидкостью, и смесительные, где процесс теплообмена протекает при непосредственном контакте горячей и холодной сред. Все эти теплообменные аппараты могут использоваться в качестве холодильников, подогревателей, конденсаторов, испарителей.
Конструктивные особенности теплообменных аппаратов определяют область, в которой они могут быть применены для различных температур и давлений.
Расчет теплообменников требует много времени при использовании традиционных приемов. Трудоемкость таких расчетов существеннее снижается при использовании для этих целей ЭВМ. При этом легко можно получить несколько конкурентоспособных вариантов решения технологической задачи. Дальнейший выбор должен быть сделан на основе технико-экономического анализа критерию оптимальности.
Задание
В трубном пространстве кипятильника при атмосферном давлении испаряется G, кг/ч рабочей среды. Насыщенный водяной пар конденсируется в межтрубном пространстве на наружной поверхности труб при абсолютном давлении Р, Па. Определить необходимую поверхность теплопередачи и расход греющего пара. Подобрать нормализованный теплообменный аппарат по каталогу (показать теплообменник на рисунке).
Исходные данные:
Таблица 1
| Рабочаясреда | Назначение и тип аппарата | Расход G·10-3 , кг/ч | Давление Р·10-5,Па |
| ацетон | Испаритель кожухотрубный | 3,5 | 1,2 |
Физико-химические характеристики ацетона, кипящего при небольшом избыточном давлении t2 = 56,2◦C
λ2 = 0,162 Вт/м·К
ρ2 = 750 кг/м3
μ2= 0,236·10-3 Па·с
r2= 527940 Дж/кг
σ2=0,0201 Дж/кг·K
В качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар давлением1,2 Мпа. Удельная теплота конденсации r1=2249000 Дж/кг, температура конденсации t1 =104,2◦C
Характеристики конденсата при этой температуре:
ρ1= 955 кг/м3
λ1 = 0,681 Вт/м·К
μ1 = 0,000284 Па·с
Расчет испарителя
1. Тепловая нагрузка аппарата определяется по уравнению (1)
Q = G2 ·r2 , (1)
Q = 
· 527940 = 513275 Bт.
2. Расход греющего пара определяется по уравнению (2)
, (2)
кг/c.
3. Средняя разность температур определяется по уравнению (3)
∆tср = 104,2 – 56,2= 48 ◦C. (3)
4.Ориентировочное значение требуемой поверхности определяется по уравнению (4)
, (4)
Примем ориентировочный коэффициент теплоотдачи Кор =1000.
м2.
5.Уточненный расчет поверхности теплопередачи.
По справочнику находим: d=25x2
L =1,5 м
Коэффициент теплоотдачи для пара определяется по уравнению (5)
, (5)
где А=8,4 взятого по рис 4-9,1 при t=104,2◦C
q0,5.
Коэффициент теплоотдачи для ацетона определяется по уравнению (6)
, (6)
Значение b=0,093 находим по рис 4-11,1 при ρЖ/ρП=(750/2,15)=349
кг/м3.
.
Термическое сопротивление стальной стенки и загрязнений определяем по уравнению (7)
, (7)
м2 ·К/Вт.
Коэффициент теплопередачи определяем по уравнению (8)
, (8)
Далее находим уточненное значение удельной тепловой нагрузки по уравнению(9)
q = K · ∆tcp,, (9)
q 
,
0,0261q0,5 + 30,1·10-5q + 0,47q0,33 – 48 = 0.
Это уравнение решим графически, задаваясь значениями q*. Результаты записываем в таблицу 1.
Tаблица1 Расчетные данные для определения q*
| q* | q0,5 | q0,33 | y |
| 38,75 | -3,58 | ||
| 264,5 | 39,71 | -1,5 | |
| 273,87 | 40,62 | 0,81 |
По данным таблицы 1 построим график,рисунок1, из которого при у = 0 находим q=73100 Вт/м2.
Коэффициент теплопередачи
,
Вт/м2·К.
Коэффициент теплоотдачи для ацетона определяем по уравнению (8)
Вт/м2·К
Коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося пара определяем по уравнению (9)
38,25 · q0,5 =38,25 · 731000,5=10348 Вт/м2·К
Проверка:
.
м2.
По справочнику находим: n =121 D = 400 мм
z = 1 d = 25х 2
L = 1,0 м F = 9,0 м2
Выбранный теплообменник подходит с запасом ∆ = 22,2 %.
Cписок использованных источников
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: «Химия» 1981 г.
2. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Издательство: – М.: «Химия» 1991 г.