Тепловой баланс Теплообменного аппарата

Задача 25

В трубном пространстве кожухотрубчатого теплообменного аппарата производят нагрев 4 т/ч бинарной смеси бензол-толуол от начальной температуры 30 °C до конечной температуры 80 °C. Содержание низкокипящего компонента в бинарной смеси 40 % масс. В качестве теплагента используют насыщенный водяной пар, подаваемый в межтрубное пространство под избыточным давлением 0,5 кгс/см². Атмосферное давление 750 мм рт. ст. Потери тепла в окружающую среду составляют 10 % от тепловой нагрузки теплообменника. Определить тепловую нагрузку теплообменного аппарата и расход греющего пара.

Решение

Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация в межтрубном пространстве).

Хладагент – бинарная смесь бензол-толуол (нагрев в трубном пространстве).

Абсолютное давление насыщенного водяного пара:

.

Температура насыщенного водяного пара:  [2, c. 7].

Удельная теплота фазового перехода (конденсации) насыщенного водяного пара:  [2, c. 7].

Массовый расход хладагента: .

Средняя арифметическая температура хладагента:

.

Теплоёмкость компонентов бинарной смеси при средней арифметической температуре [2, с. 18]:

низкокипящий компонент (бензол) ,

высококипящий компонент (толуол) .

Среднюю интегральную теплоёмкость хладагента (бинарной смеси бензол-толуол) заменяем теплоёмкостью при средней арифметической температуре, которую находим через теплоёмкости компонентов:

.

Расход тепловой энергии на нагрев хладагента:

.

Тепловой баланс теплообменного аппарата: .

Тепловую нагрузку аппарата принимаем равной расходу тепловой энергии, выделяющейся при конденсации теплагента: .

Потери тепловой энергии в окружающую среду заданы в виде доли от тепловой нагрузки теплообменника: .

Преобразуем уравнение теплового баланса:

,

,

.

Находим тепловую нагрузку теплообменного аппарата и расход тепловой энергии, выделяющейся при конденсации теплагента:

.

Потери тепловой энергии в окружающую среду:

.

Расход теплагента (насыщенного водяного пара):

.

Задача 26

В межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменного аппарата производят конденсацию паров бинарной смеси бензол-толуол при температуре 110 °C. Расход бинарной смеси 2 т/ч, содержание низкокипящего компонента в бинарной смеси 65 % масс. В качестве хладагента используется вода, подаваемая в трубное пространство при температуре 20 °C. Расход охлаждающей воды составляет 15 т/ч. Потери тепла в окружающую среду составляют 12 % от тепловой нагрузки теплообменника. Определить тепловую нагрузку теплообменного аппарата и конечную температуру охлаждающей воды.

Решение

Теплагент – пары бинарной смеси бензол-толуол (конденсация в межтрубном пространстве).

Хладагент – вода (нагрев в трубном пространстве).

Массовый расход теплагента: .

Удельные теплоты фазового перехода (конденсации) компонентов бинарной смеси при температуре конденсации теплагента [2, с. 20]:

низкокипящий компонент (бензол) ,

высококипящий компонент (толуол) .

Удельную теплоту фазового перехода теплагента находим через теплоты фазового перехода компонентов:

.

Расход тепловой энергии, выделяющейся при конденсации теплагента:

.

Тепловую нагрузку аппарата принимаем равной расходу тепловой энергии, выделяющейся при конденсации теплагента: .

Потери тепловой энергии в окружающую среду:

.

Из теплового баланса теплообменного аппарата получаем расход тепловой энергии на нагрев хладагента (воды):

.

Массовый расход хладагента: .

Расход тепловой энергии на нагрев хладагента определяется выражением:

,

откуда может быть выражена конечная температура хладагента:

.

В первом приближении примем среднюю интегральную теплоёмкость хладагента равной теплоёмкости хладагента при начальной температуре:  [2, с. 4-5].

Тогда, конечная температура хладагента в первом приближении:

.

Средняя арифметическая температура хладагента:

.

Во втором приближении примем среднюю интегральную теплоёмкость хладагента равной теплоёмкости хладагента при средней температуре:

 [2, с. 4-5].

Тогда, конечная температура хладагента во втором приближении:

.

Если температура последних двух итераций (приближений) различается менее чем на десятую долю градуса, то дальнейших итераций не требуется.

Задача 27

В трубном пространстве кожухотрубчатого теплообменного аппарата производят испарение 12 кг/с бензола при нормальном атмосферном давлении. В качестве теплагента используют насыщенный водяной пар, подаваемый в межтрубное пространство под абсолютным давлением 2 кгс/см². Потери тепла в окружающую среду составляют 6 % от тепловой нагрузки теплообменника. Определить тепловую нагрузку теплообменного аппарата и расход греющего пара.

Решение

Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация в межтрубном пространстве).

Хладагент – бензол (кипение в трубном пространстве).

Абсолютное давление насыщенного водяного пара:

.

Температура насыщенного водяного пара:  [2, c. 7].

Удельная теплота фазового перехода (конденсации) насыщенного водяного пара:  [2, c. 7].

Температура кипения хладагента (бензола):  [2, c. 13].

Удельная теплота фазового перехода (испарения) бензола при его температуре кипения:  [2, c. 20].

Расход тепловой энергии, необходимой для испарения хладагента:

.

Находим тепловую нагрузку теплообменного аппарата и расход тепловой энергии, выделяющейся при конденсации теплагента:

.

Расход теплагента (насыщенного водяного пара):

.