Технологический расчет кожухотрубчатого холодильника

       1 Технологический расчет кожухотрубчатого  холодильника

       1.1 Температурный расчет

       Найдем среднюю разность температур при противотоке теплоносителей, выбрав в качестве холодильного агента воду

       60 ⁰С    

    23 ⁰С

        12 ⁰С        8 ⁰С

       

⁰С       ⁰С

       Она определится из формулы (1)

        ,                                             (1)

       где - большая разность температур, ⁰С;

        - меньшая разность температур, ⁰С.

       Разность  температур будет равна

       

⁰С.

       Найдем  среднюю температуру воды

       t₂ = 0,5·(12 + 8) = 10 ⁰С.

       По  формуле (2) рассчитаем среднюю температуру  бензола

             t₁ = t₂ +       (2)

       Величина  средней температуры бензола

       t₁ = 28,4+10=38,4 ⁰С.

       1.2 Приближенный расчет

       С учетом потерь холода 5% найдем расход теплоты по формуле (3)

                                              Q = 1,05·G₁ ·С₁ ·(t_1н  -  t_1к),                                      (3)

       где G₁ – расход бензола, кг/с;

       С₁ – удельная теплоемкость бензола при его средней температуре, Дж/(кг·К).

       С₁ = 1751 Дж/(кг·К) [2].

       Переведем расход бензола из кг/ч в кг/с

       G₁=

= 2,44 кг/с.

       Расход  теплоты 

       Q = 1,05·2,44 ·1751·(60  -  23) = 166286,6 Вт.

       Расход  воды определим по формуле (4)

        ,                                          (4)

       где С₂ – удельная теплоемкость воды при ее средней температуре, Дж/(кг·К).

       С₂ = 4192 Дж/(кг·К) [2].

       Расход  воды

       

кг/с.

       Определим ориентировочную величину площади  поверхности теплообмена по формуле (5)

        ,                                                 (5)

       где К_ор – ориентировочный коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К).

       На  основе справочных данных [3] принимаем К_ор= 270 Вт/(м²·К).

       Ориентировочная величина площади поверхности теплообмена

       

м².

       Определим соотношение n/z для холодильника из труб диаметром d_н=25х2 мм по формуле (6)

        ,                                           (6)

       где n – общее число труб;

       z – число ходов по трубному пространству;

       d – внутренний диаметр труб, м;

        – динамический коэффициент вязкости воды при ее средней температуре, Па·с.

        = 0,001308 Па·с [2,с.514].

       Задавшись числом Re₂=11000, рассчитаем n/z

       

.

       1.3  Уточненный расчет

       Из  справочных данных [3, с.51] соотношение n/z принимает наиболее близкое к заданному значению у холодильника с диаметром кожуха D=400 мм, диаметром труб d_н=25х2 мм, числом ходов z=2 и общим числом труб n=100.

         Наиболее близкую к F_ор поверхность теплоотдачи имеет нормализованный аппарат с длиной труб L=4,0 м и F=31 м².

       Определим действительное число Re₂ по формуле (7)

                                                    (7)

       Действительное  число Re₂ равно

       

.

       Т.к. 2300<Re₂<10000, расчет критерия Нуссельта Nu₂ выполним по графику зависимости от критерия Re.

       Значению  Re₂=9201 соответствует . 
 
 

       Найдем  критерий Прандтля Pr₂ по формуле (8)

        ,                                                (8)

       где - коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м·К).

        =0,492 Вт/(м·К) [2].

       Величина  критерия Прандтля Pr₂

       

.

       Пренебрегая поправкой  , находим Nu₂

       Nu₂=

=70,66.

       Определим коэффициент теплоотдачи к воде по формуле (9)

                                                   (9)

       Значение  коэффициента теплоотдачи к воде

       

Вт/(м²·К).

       Найдем  критерий Re₁ по формуле (10)

        ,                                           (10)

       где  - динамический коэффициент вязкости бензола при его средней температуре, Па·с.

        =0,503·10^-3 Па·с.

       Критерий  Re₁ равен

       

.

       Т.к. 2300<Re₁<10000, расчет критерия Нуссельта Nu₂ выполним по графику зависимости от критерия Re.

       Значению  Re₁=5885 соответствует .

       Найдем  критерий Прандтля Pr₁ по формуле (11)

        ,                                                      (11)

       где - коэффициент теплопроводности бензола, Вт/(м·К).

        =0,125 Вт/(м·К).

       Величина  критерия Прандтля Pr₁

       

.

       Пренебрегая поправкой  , находим Nu₁

       Nu₁=

=44,5.

       Определим коэффициент теплоотдачи от бензола по формуле (12)

                                                   (12)

       Значение  коэффициента теплоотдачи от бензола

       

Вт/(м²·К).

       Сумма термических сопротивлений стенки труб из стали и загрязнений со стороны воды и бензола равна

       

(м²·К)/Вт,

       где 0,002 – толщина стенки, м;

       5800 – тепловая проводимость загрязнений  стенок со стороны воды, Вт/(м²·К) [3];

       5800 - тепловая проводимость загрязнений  стенок со стороны бензола,  Вт/(м²·К) [3];

       46,5 – коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м·К) [2].

       Коэффициент теплопередачи найдем по формуле (13)

                                                   (13)

       Величина  коэффициента теплопередачи равна

       

 Вт/(м²·К).

       Рассчитаем требуемую поверхность теплопередачи по формуле (14)

                                                      (14)

       Требуемая поверхность теплопередачи равна

       

м².

       Найдем  запас поверхности по формуле (15)

                                                 (15)

       Запас поверхности составляет при этом

       

. 
 

       1.4 Проверочный расчет коэффициента  теплопередачи с учетом температур  поверхностей стенки

       Значение  коэффициента теплопередачи было рассчитано без учета температур поверхностей стенки, поэтому необходимо проверить и уточнить значение коэффициента теплопередачи с учетом температур поверхностей стенки.

       Найдем  поверхностную плотность теплового  потока по формуле (16)

                                                           (16)

       Поверхностная плотность теплового потока равна

    

Вт/м².

       Определим ориентировочно значения t_ст1 и t_ст2 по формулам (17) и (18) соответственно

     ,                                               (17)

     .                                              (18)

       Тогда значения t_ст1 и t_ст2 будут равны

    

⁰С,

    

⁰С.

       Введем  поправку в расчет коэффициента теплопередачи. Для этого найдем критерий Прандтля для температуры  t_ст1

    Pr_ст1=

.

       Определим поправку

    

       Найдем  критерий Прандтля для температуры  t_ст2

    Pr_ст2=

.

       Теперь определим поправку

    

       Рассчитаем  коэффициенты теплоотдачи с учетом поправок по формулам (19) и (20) соответственно

     ,                                             (19)

     .                                             (20)

       Коэффициенты  теплоотдачи равны

    

 Вт/(м²·К),

    

 Вт/(м²·К).

       Зная  коэффициенты теплоотдачи с учетом поправок, рассчитаем новое значение коэффициента теплопередачи

    

 Вт/(м²·К).

       С учетом K’ рассчитаем новое значение поверхностной плотности теплового потока

    

Вт/м².

       Рассчитаем  температуры поверхностей стенки с  учетом q’, и

    

⁰С,

    

⁰С.

       Дальнейшие уточнения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи не требуются, т.к. расхождения между ними не превышают 5%.