Файл: 236.pdf

(смесительный ТА), где, контактируя с водой, конденсируется, и образуется вакуум.

Упаренный раствор S1,a1,tk отводится из аппарата. Также отводятся конденсаты из подогревателя Dп ,T и первого корпуса - Dk ,T.

Расчет выпарной установки, состоящий из трех узлов, осуществляется последовательно, начиная с первого корпуса. В основе расчета лежат уравнения: теплопередачи (6.1.), теплового баланса (6.2., 6.3), и материального баланса в виде, см. обозначения на рис. 7.1. [6] .

S0 = S1 + W (7.1.)

получаем формулу для определения количества выпаренного растворителя:

членов уравнения (7.4), без учета потерь в окружающую среду (Qо = 0), получаем расчетное уравнение:

Q = Dk (hг − hk ) = S0Cн(tk − tн) + W(h1 − СH 2 0tp ) (7.5)

Количество греющего пара Dк получим из (7.6):

2.2 Конвективный теплообмен при поперечном обтекании одиночных труб и

пучков труб.

Процесс теплоотдачи при поперечном обтекании труб имеет ряд особенностей, которые объясняются гидродинамикой движения жидкости (газа) вблизи поверхности трубы. Набегающий поток разделяется в лобовой точке на две части, которые обтекают трубу, образуя пограничный слой переменной толщины. Развитие пограничного слоя вдоль периметра трубы происходит в условиях переменной внешней скорости и переменного давления. Такая своеобразная картина обтекания трубы в сильной мере отражается на теплоотдаче, численное значение которой не одинаково по периметру трубы.

Процесс теплоотдачи еще более усложняется, если в поперечном потоке жидкости (газа) имеется не одна, а пучок (пакет) труб, которые могут располагаться как в шахматном, так и в коридорном порядке.

Сложный характер обтекания одиночного цилиндра, а тем более пучка труб, существенно затрудняет теоретическое исследование закономерностей теплообмена.

В результате анализа и обобщения существующих экспериментальных данных для расчета среднего коэффициента теплоотдачи рекомендуются зависимости [1] для одиночной трубы:

21

Соотношения (2.2.–1÷2.2.–4) позволяют определить среднее значение коэффициента теплоотдачи α для трубок третьего и всех последующих рядов в пучках.

Значения α для трубок 1 ряда определяется путем умножения его значения, полученного по соотношению (2.2. – 1 ÷ 2.2. – 4) на коэффициент εα= 0,6 , а для 2 ряда в коридорных пучках - εα = 0,9, а в шахматных - εα = 0,7.

Средний коэффициент теплоотдачи пучка труб :

7.1. Методика расчета выпарных установок.

Рис.7.1.

Однокорпусная выпарная установка (рис. 7.1.) состоит из подогревателя 1, где исходный раствор Sо, ао, tо, за счет греющего пара. Dп,T,h нагревается до состояния S0,a0,tн (причем tн ≈ tk) и поступает в корпус выпарной установки 2. Здесь раствор за счет греющего пара Dк,T,h (обычно для подогревателя и 1 корпуса используется греющий пар одних и тех же параметров) доводится до состояния кипения tk=ts в результате чего часть растворителя превращается в пар, называемый вторичным W, θ,h и отводится из корпуса. Часть этого пара E, называемая экстра-паром, используется на производственные нужды, а остальная часть (W-E),h’, θ’ поступает в барометрический конденсатор смешения 3

63

7. Выпаривание.

Выпариванием называется процесс частичного удаления растворителя из раствора в результате кипения последнего. Получаемый в процессе выпаривания раствор называют упаренным, а отводимый пар растворителя – вторичным паром. Обычно удаляют часть растворителя, чтобы раствор находился в текучем состоянии и его можно было бы передавать в другие аппараты.

Целью теплотехнического расчета выпарной установки является определение: расхода греющего (первичного пара); поверхности теплообмена и основных размеров аппарата и выявление режимных характеристик процесса (температуры, давления, концентрации и т .д.).

Важнейшим параметром выпаривания является температура кипения раствора tк , которая зависит в значительной степени от природы растворенного твердого вещества. Разность между температурами кипения раствора tк и чистого растворителя ts при одинаковом давлении называется температурной депрессией: δT=tк – tps для раствора данной концентрации a. Температура вторичного пара близка к ts и обозначается θ = tk- δT.

62

Пример. Определить коэффициент теплоотдачи для восьмирядного коридорного пучка d = 40 мм, омываемого потоком воздуха t = 300оС и скоростью в

узком сечении w = 10 м/с. Температура стенок трубок θ

= 400оС.

Решение.

При t = 300DC; λ = 0,046 Вт/мK; υ = 48,33×10-6м2/c; Prt = 0,674 [1]. При t = 400 оС; Pr θ = 0,678

Подставляя эти значения в (2.2. – 3) получаем :

/2.2.-1/. Определить средний коэффициент теплоотдачи от поверхности цилиндрической трубки диаметром 25 мм, охлаждаемой поперечным потоком воды, если скорость воды w = 1,5 м/с, температура воды t = 20оС, температура поверхности трубы θ = 60оС, угол атаки ψ = 50о.

/2.2. – 2/. Решить предыдущую задачу, если диаметр трубы dн = 50 мм, остальные условия сохраняются.

/2.2. – 3/. Решить задачу 2.2. – 1, заменив воду воздухом, остальные условия сохраняются.

23

/2.2. – 4/. Определить средний коэффициент теплоотдачи конвекцией от поперечного потока дымовых газов к стенкам труб водоподогревателя, если трубы расположены в коридорном порядке, диаметр труб dн = 40 мм, скорость газов в узком сечении w = 10 м/с, число рядов труб с одинаковой поверхностью в направлении потока газов n =10, температура газов на входе в подогреватель t’ = 500 оС , на выходе t” = 300оС. Объемные доли газов :

rCO2 = 0,13; rH 2O = 0,11; rN 2 = 0,76 .

Угол атаки ψ = 70о. Сравнить коэффициенты теплоотдачи, если коридорное расположение труб заменить на шахматное.

/2.2.– 5/. В колорифере нагревательные элементы выполнены в виде цилиндрических стержней, расположенных в шахматном порядке. Воздух, омывающий стержни поперечным потоком со скоростью w = 5 м/с, подогревается в колорифере от t1 = 0оС до t2 = 40оС, угол атаки ψ = 90о.

Определить средний для пучка коэффициент теплоотдачи, если стержни имеют одинаковую длину и диаметр d = 2 мм, а число рядов по направлению потока воздуха n = 6.

/2.2. – 6/. Для охлаждения масла МК от температуры t’ = 160оС до t” = 100оС используется теплообменник с пучком труб, имеющих наружный диаметр 30 мм и расположенных в шахматном порядке. Температура наружной поверхности труб поддерживается постоянной θ = 80оС, поверхности труб

24

Итерациональный расчет «К» начинаем с Кор = 700.

700 → 873 → 827 → 938 → 835 → 836 Крас = 836 Вт/м2К.

13. По (6.1) Расчетная поверхность теплообмена:

14. Выбор по каталогу [2]

Выбираем 4-х ходовой ТА с Fк = 39 м2, fтр = 0,034 м2, n

труб = 100, число рядов nр = 12, εp ≈ 0,63, l = 5 м. 15. Коэффициент запаса

Таким образом, расчеты показали, чтобы обеспечить технологический процесс конденсации бензола, необходим ТА с вышеуказанными параметрами.

/6 – 1/ В трубчатом ТА нагревается поток бензола G=5400кг/час от температуры t1’ = 20оС до t1’’ = 78оС за счет конденсации водяного пара давлением р = 2 ата. Рассчитать поверхность теплообмена F и количество греющего пара D.

/6 - 2/В трубчатом ТА кипит ацетон под давлением Р = 750 мм рт.ст в количестве G = 3800 кг/час за счет конденсации паров бензола при р = 1,3 бар. Рассчитать поверхность теплообмена и количество греющего пара D.

61

Выбираем ТА с F > 43 м2 , d = 25х2 мм, l – 6 м., 4-х

10. Расчет коэффициента теплоотдачи α2

по п.2.1

Nu = 0,021Re0,8 Pr0,43 ( Prt )0,25 ; Prθ

т.к θ неизвестна, то принимаем ( Prt )0,25 =1

Prθ Nu=0,021*204300,8*6,220,43=129,3

α= Nud λ = 00,,608021 *129,3 = 3740 Вт/ м2К

11.К расчету интенсивности теплообмена при конденсации бензола (3.6) :

т.к. число рядов труб в пучке, то необходимо ввести поправку на рядность [2] εp =0,58;

12. по (5.8) :

60

одинаковые, масло омывает пучок поперечным потоком с углом атаки ψ = 90о.

Определить тепловой поток, воспринятый одним погонным метром труб 1 и 3 рядов, если средняя скорость масла в узком сечении пучка w = 0,1 м/с.

/2.2. – 7/. Трубка диаметром dнар = 10 мм и θ = 80оС омывается водой при температуре 50оС со скоростью

w=3м/с. Определить коэффициент теплоотдачи и сравнить его с коэффициентом теплоотдачи при тех же условиях, если θ = 50оС, а температура воды t = 80оС. Угол атаки в обоих случаях ψ = 90о.

/2.2. – 9/. Одиночная труба охлаждается поперечным потоком воды с температурой tж = 20оС, скорость воды w = 2 м/с, угол атаки ψ = 20о. Построить график зависимости коэффициента теплоотдачи от диаметра трубы, если dн = 10, 20, 30, 40 мм.

/2.2. – 10/. Воздухонагреватель представляет собой 20-рядный шахматный пучок труб диаметром dн= 50 мм. Построить зависимость среднего коэффициента теплоотдачи от скорости поперечного потока воздуха в узком сечении пучка, если температура воздуха на входе в пучок t’ = 20оС, на выходе t” = 180оС, средняя температура поверхности труб θ = 200оС, а скорость w=5, 10, 15, и 20 м/с. Угол атаки ψ = 90о.

/2.2. – 11/. Токопровод диаметром 15 мм охлаждается поперечным потоком воздуха с температурой t = 20оС, скорость которого может быть равна 1, 2 и 3 м/с. Выбрать необходимую скорость воздуха, если удельное электрическое сопротивление

25