Файл: 478.pdf

же поверхность омывается попеременно горячим и холодным теплоносителями, смесительные, в которых одновременно присутствуют процессы тепло- и массообмена); 3. по направлению движения теплоносителей в ТА (прямоточные, противоточные и смешанного типа).

Теплообменник простейшего типа состоит из трубы, внутри которой расположена другая труба (см. рис. 6.1). Такое устройство может работать либо в режиме противотока, либо в режиме прямотока, когда горячая или холодная жидкость течёт внутри кольцевого пространства, а другая жидкость течёт во внутренней трубе.

Рис. 6.1.

Простой противоточный теплообменник типа «труба в трубе».

Наиболее распространённым типом теплообменника, который широко используется в химической и других отраслях промышленности, является кожухотрубный теплообменник (см. рис. 6.2).

Рис. 6.2.

Кожухотрубный двухходовой теплообменник с сегментными перегородками.

В теплообменнике такого типа жидкость I течёт внутри труб, тогда как жидкость II прокачивается в межтрубном пространстве внутри кожуха в поперечном направлении. Причина выбора схемы движения потока жидкости поперёк, а не вдоль труб заключается в том, что более высокие коэффициенты теплоотдачи достигаются при поперечном, а не при продольном обтекании труб. Для создания перекрёстного обтекания труб в межтрубном пространстве внутри кожуха устанавливают перегородки. Они установлены та-

- 37 -

www.mitht.ru/e-library

ким образом, что в каждой образованной ими секции поток обтекает трубы в поперечном направлении сначала в первой секции вниз, затем во второй секции вверх и т. д.

Методы расчёта теплообменных аппаратов.

Существуют два метода расчёта ТА: поверочный (если известна площадь теплообмена, и необходимо проверить пригодность её для данного технологического процесса) и проектный (если необходимо для данного технологического процесса определить поверхность теплообмена). (6.1)

В основе анализа и расчёта теплопереноса в ТА лежит уравнение теплопередачи: (6.1)

носителей, t'1, t"1, t'2, t"2 – температуры теплоносителей на входе и выходе из ТА, r1, r2 – скрытые теплоты конденсации и парообразования.

К основным элементам кожухотрубчатого ТА (см. рис. 6.3 б) относятся: 1 - смесительные камеры, 2 – трубки, 3 – трубные решётки, 4 – кожух. Теплоноситель 1 в количестве G1 с температурой t'1 входит в камеру смешения и движется по трубкам 2, и выходит с температурой t"1 (охлаждаясь, см. рис. 6.3 а).

Рис. 6.3

К расчёту теплообменных аппаратов.

Теплоноситель 2 в количестве G2 с температурой t'2 входит в межтрубное пространство, омывает трубки с наружной стороны и нагревается (см.

рис. 6.3 а).

Для теплоносителя 1 мы имеем теплообмен при продольном омывании, для теплоносителя 2 – при поперечном омывании пучков труб.

Температурный график (см. рис. 6.3 а) свидетельствует о движении теплоносителей в ТА по принципу прямоток.

- 38 -

www.mitht.ru/e-library

Движущая сила в ТА или средний температурный напор Δt в уравнении (6.1) для схемы прямоток, когда теплоносители не изменяют своего агрегатного состояния, определяется на основе совместного решения уравнения (6.1) и (6.2) и имеет вид:

Средний температурный напор для ТА теплоносителей, движущихся по схеме противоток (см. рис. 6.4), определяется по формуле (6.5), но вычисления производят, вычитая из большей разности температур меньшую: ΔtБ –

ΔtМ.

Рис. 6.4.

При схеме противотока.

Температурный график для случая, когда один теплоноситель изменяет своё агрегатное состояние, а другой нет, представлен на рис. 6.5 а. В случае если оба теплоносителя изменяют своё агрегатное состояние, температурный график имеет вид рис. 6.5 б.

Рис. 6.5.

Теплоносители меняют свои агрегатные состояния.

Задачи для самостоятельной работы.

Задача 6-1. В трубчатом ТА нагревается поток бензола G = 5400 кг/ч от температуры t'1 = 20 °C до температуры t"1 = 78 °C за счёт конденсации водяного пара давлением P = 2 ата. Рассчитать поверхность теплообмена F и количество греющего пара D.

Задача 6-2. В трубчатом ТА кипит ацетон под давлением равным P =

=750 мм. рт. ст. в количестве G = 3800 кг/ч за счёт конденсации паров бензо-

-39 -

www.mitht.ru/e-library

ла при P = 1,3 бар. Рассчитать поверхность теплообмена F и количество греющего пара D.

Пример 6-1. В кожухотрубчатом ТА конденсируется G = 8400 кг/ч насыщенных паров бензола под давлением P = 400 мм. рт. ст. с помощью холодной воды. Рассчитать теплопередачу бензола с водой и произвести проектный выбор ТА.

Решение. Решение начинаем с выбора ТА и направления потоков рабочих тел. Принимаем горизонтальное расположение ТА, т. к. при этом его расположении коэффициент теплоотдачи при конденсации выше, чем если бы он имел вертикальное положение. Воду направляем в трубное пространство, а пары бензола – в межтрубное (см. рис. 6.6).

Рис. 6.6.

К расчёту ТА.

Справочные данные бензола: давл. P = 400 мм. рт. ст., t1 = 60,6 °C, λБ = = 0,14 Вт/(м×К), ρБ = 834 кг/м3, r = 408,5 кДж/кг, µБ = 3,9 × 10–4 Па×с.

Справочные данные воды: t'2 = 10 °C, t"2 = 40 °C, ρВ = 997 кг/м3, µВ = = 9,18 × 10–4 Па×с, CP = 4,19 кДж/(кг×К), ν = 9,2 × 10–7 м2/с, λВ =

= 0,608 Вт/(м×К), Prt = 6,22.

Определим количество тепла, переданное бензолом:

Q = GБrБ = 8400 × 408,5 × 103 = 3431400 кДж/ч = 953,17 кВт.

Определим средний температурный напор:

Определим расход охлаждающей воды:

Выбираем материал труб – сталь λ = 40 Вт/(м×К).

Т. к. лимитирующая стадия теплообмена – теплоотдача от поверхности труб к охлаждающей воде, то режим движения её должен быть турбулентным.

Исходя из справочных данных, коэффициент теплопередачи пары бен- зола-вода может иметь значения K = 600 ÷ 800 Вт/(м2×К). Принимаем ориентировочное значение K = 700 Вт/(м2×К).

- 40 -

www.mitht.ru/e-library

Определим ориентировочную поверхность теплообмена:

По каталогу выбираем FОР ТА с таким расчётом, чтобы скорость движения воды w, определяемая из соотношения GВ = ρВFТРw, была достаточной,

чтобы Re > 2 × 103.

Выбираем ТА с F > 43 м2, d = 25×2 мм, l = 6 м, 4х-ходовой. FТР = 0,034 м2. На один ход приходится:

FТР F4ТР 0,0344 8,5 10 3_м2.

Re wd 0,894 0,021 20407 2 103. ν 9,2 10 7

Определим коэффициент теплоотдачи:

Nu 0,021Re0,8Pr0,43 Prt 0,25 ;

Prθ

Т. к. θ неизвестна, то принимаем Prt 0,25 1.

Prθ

Nu 0,021 204070,8 6,220,43 1 129,23.

αd 2,1 10 2 3742 Вт/ м2×К .

Красчёту интенсивности теплообмена при конденсации бензола:Nuλ 129,23 0,608

Необходимо ввести поправку на рядность: εn = 0,58.

Коэффициент теплопередачи K рассчитываем методом итерации, начи-

ная с KОР = 700 Вт/(м2×К).

значение коэффициента теплопередачи. В итоге имеем следующие результаты:

- 41 -

www.mitht.ru/e-library