Конструктивные характеристики кожухотрубчатых

Скорость-воды в трубах теплообменников:

W=Gв(ρв·fтр), (12)

где Gв – расход воды, необходимый для конденсации пара, кг/с;

ρв – плотность воды при температуре 27,9˚С;

fтр – площадь сечения одного хода по трубам, м2.

для варианта 1 W1=21,6(990·0,022)=0,99м/с;

для варианта 2 W2=21,6(990·0,042)=0,52м/с.

Коэффициент теплоотдачи от пара к трубам α1 при пленочной конденсации пара и ламинарном отекании пленки конденсата для вертикального аппарата рассчитывается по уравнению (13), а для горизонтального - по уравнению (14) [8, с. 53]:

где dн - наружный диаметр труб;

n - число труб;

ε - коэффициент, зависящий от числа труб;

при n ≤ 100, ε = 0,7; при n > 100, ε = 0,6.

Теплофизические характеристики конденсата λ, ρ, μ рассчитываются при средней температуре конденсации пара tп=83°С.

Плотность пленки конденсата р определяется из соотношения

(15)

где ρi - плотность компонентов конденсата при tп=83°С [2,с.512];

ρ1 = 810 кг/м³, ρ2 =804 кг/м³

1/р = 0,99/810 + 0,01/804 = 0,0012346 м³/кг,

откуда ρ = 1 / 0,0012346 =809,98 кг/м³.

Вязкость пленки конденсата μ рассчитывается по формуле

где μi - вязкость компонентов конденсата [2, е. 556 или 4];

хi - мольные доли компонентов в конденсате; в случае полной конденсации пара хi = уi.
Вязкость компонентов конденсата:

μ1 = 0,305·10^-3 Па·с, μ 2 = 0,308·10^-3 Па·с,

lgμ =0,99·lg0,305·10^-3+0,01·lg0,308·10^-3 =-3,6638,

откуда μ= 0,30547·10^-3 Па·с.

Коэффициент теплопроводности пленки конденсата λ рассчитывают приближенно по формулам (17) и (18) и в дальнейших расчетах используют меньшее значение λ . [10].

(17)

(18)

где λi- коэффициенты теплопроводности компонентов конденсата [2, с. 561].

λ1 =0,13 Вт/(м·К);

λ2=0,1225 Вт/(м·К);

λ`=0,99·0,13+0,01·0,1225=0,1299 Вт/(м·К);

λ``=0,985·0,13+0,015·0,1225=0,1298 Вт/(м·К);

Принимаем λ=λ``=0,1298 Вт/(м·К).

Коэффициент теплоотдачи от пара к трубам для вертикального аппарата α'1 верт в соответствии с уравнением (13):

α'1, верт =3,78·0,1299· =959,7 Вт/(м²·К);

Для горизонтального-аппарата коэффициент теплоотдачи от пара к трубам α '1 гор в соответствии с уравнением (14)

α'1, гор =2,02·0,6·0,1299· =1912 Вт/(м²·К);

Величина критерия Рейнольдса для воды:

Rе=w·dвн·ρв/μв, (19)

где dвн - внутренний диаметр труб, м.

Rе=0,99·0,021·970/0,34·10^-3=59312,6>10⁴=>

=> турбулентное течение.

Коэффициент теплоотдачи от труб к воде α2 при устойчивом турбулентном течении (Rе > 10000 ) рассчитывается из соотношения (20) [8, с. 49]:

(20)

где dэкв - эквивалентный диаметр канала; при движении по трубам (dэкв равен внутреннему диаметру трубы dвн.

Из уравнения (20) величина α2

(21)

В уравнениях (20) и (21) физические величины, входящие в критерии Рейнольдся и Прандтля, берутся при средней температуре жидкости tср = 27,9˚С. Физические величины, входящие в критерий Ргст, берутся при температуре стенки со стороны жидкости tст2.

Температура tст2 еще неизвестна, поэтому в первом приближении принимаем отношение (Рг/Ргст)^0,25=1,0. Величину этого отношения уточним последующим расчетом.

Из табл. 10 значение Рг = 5,5.

Величина α2

α2=0,023·(0,618/0,021)·59312^0,8·5,5^0,4 = 8813,7 Вт/(м²·К)

Принимаем термическое сопротивление со стороны конденсирующегося пара органических веществ r1=1/11600=0,00009 (м²·К)/Вт, а со стороны воды г2=1/1860=0,00054 (м²·К)/Вт [8, с. 48].

Для легированной стали коэффициент теплопроводности λст =17,5 Вт/(м·К) [2, с.529]. Тогда термическое сопротивление стенки

rст=δст/λст=2·10^-3/17,5=0,000114 (м²·К)/Вт

(δст – толщина стенки труб теплообменника).

Сумма термических сопротивлении г;..

(22)

Коэффициенты теплопередачи для вертикального К'верт и горизонтального К'гор аппаратов:

К'верт= . (23)
К'верт= =735,3 Вт/(м²·К).
К'гор= . (24)

К'верт= =339,6 Вт/(м²·К).

F'расч,верт=Q/(К'верт·∆tср);

F'расч,верт=1092·10³/(735,3·33,95)=43,74 м²;

F'расч,гор=Q/(К'гор·∆tср);

F'расч,гор=1092·10³/(339,6·33,95)=94,71 м².

Для вертикального аппарата запас площади поверхности теплопередачи ∆'верт значительно меньше номинального нормализованного аппарата Fнорм=121м², поэтому следует отказаться от варианта установки вертикального аппарата.

Для горизонтального аппарата запас площади поверхности теплопередачи ∆'гор определяется по уравнению:

(25)

Такой запас площади поверхности теплопередачи является допустимым. Рассчитываем температуру стенок со стороны пара t`ст1 и воды t`cт2 для горизонтального аппарата из соотношения (26) для поверхностной плотности теплового потока

q=Q/F=K`гор·∆tср= α`1гор(tп-tст1=α2(tст2-tср), (26)

откуда:

t'ст1=83-339,6·33,95/1912=77°С;

t'ст2=tср - K'гор·∆tср/α2;

t'ст2=27,9+339,6·33,95/8813,7=29,2°С.

Разность температур ∆t между паром и стенкой

∆t=tп- t'ст1=83-77=6°С<40°С

Значение ∆t не превышает 40°С, поэтому уточнять температуру пленки конденсата t'пл и рассчитывать коэффициент теплоотдачи от пара к стенке при новом значений температуры пленки конденсата не требуется.

t'пл=0,5(83+77)=80°С.

Проверим ранее принятое допущение (Рr/Рrст)^0,25=1,0. Критерий Прандтля при температуре стенки tст. Величина (Рr/Рrст)^0,25=1,03 близка к единице, поэтому в расчет коэффициента теплоотдачи от стенок труб к воде α2 корректировок вносить не требуется.

Для проверки правильности выполненных расчетов из соотношения (26) найдем поверхностную плотность тепловых потоков со стороны- пара

q`=α1,гор·(tп-tст1), со стороны воды q``=α2·(tст2-tср) и передаваемую от пара к воде q```=Kгор·∆tср.

q``=8813,7·(29,2-27,9)=11457,81 Вт/м²;

q```=339,6·33,95=11529 Вт/м².

Расхождение величин q` и q`` со значением q```:

Значения ∆` и ∆`` меньше допустимых (3 - 5)%, поэтому никаких корректировок в расчет вносить не требуется.

Значения параметров процесса теплопередачи представлены на рис. 3.2

Рис.4.2. Схема теплопередачи варианта 1