Ориентировочный расчёт теплообменника

Задача 34

В теплообменнике, обогреваемом насыщенным водяным паром, производится нагрев бензола от 20 °C до 70 °C. Избыточное давление насыщенного водяного пара составляет 1 кгс/см², атмосферное давление 750 мм рт. ст. Расход жидкого бензола составляет 49 м³/ч. Тепловые потери составляют 5 % от тепловой нагрузки теплообменника. Определить ориентировочную поверхность теплообменника и подобрать под неё стандартные кожухотрубчатый, двухтрубный и пластинчатый теплообменники.

Решение

Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация).

Хладагент – жидкий бензол (нагрев).

Абсолютное давление насыщенного водяного пара:

.

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

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

Рис. 17. Профиль температур теплоносителей по длине труб
подогревателя-конденсатора

Бóльшее и меньшее значение движущей силы в теплообменнике (рис. 17):

,

.

Среднее логарифмическое значение движущей силы:

.

Поскольку движущая сила представляет собой разность температур, то её величина одинакова и в градусах Цельсия, и в Кельвинах.

Среднее значение температуры хладагента:

среднее арифметическое ,

среднее интегральное .

Теплоёмкость хладагента при средней арифметической температуре:

 [2, с. 18].

Плотность хладагента при средней интегральной температуре:

 [2, с. 14].

Объёмный расход хладагента: .

Массовый расход хладагента:

.

Расход тепловой энергии на нагрев хладагента:

.

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

.

Массовый расход теплагента (насыщенного водяного пара):

Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара к органическим жидкостям в подогревателях при вынужденном движении теплоносителей [1, с. 172, табл. 4.8]:

.

Кожухотрубчатый теплообменник

Для кожухотрубчатого теплообменника выбираем середину интервала:

.

Ориентировочная поверхность теплопередачи кожухотрубчатого теплообменника: .

Выбираем из [4, с. 57, табл. 2.9] теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял от 5 до 30 %. Минимальная и максимальная площади поверхности теплопередачи такого теплообменника составляют:

,

.

Массу теплообменника находим по [4, с. 56, табл. 2.8].

Подходят теплообменники:

Поверхность, м2.	70	84	81	79	75	73
Диаметр кожуха, мм.	600	600	600	600	60	800
Диаметр труб, мм.	20×2	20×2	25×2	20×2	25×2	25×2
Число ходов.	2	4	1	6	2	1
Общее число труб	370	334	257	316	240	465
Длина труб, м.	3	4,0	4,0	4,0	4,0	2,0
Масса, кг.	1970	2420	2180	2420	2220	2300

Выбираем теплообменник с наименьшей массой.

Характеристики теплообменника:

площадь поверхности теплопередачи A _ТО = 70 м²;

диаметр кожуха D = 600 мм;

диаметр труб d = 20×2 мм;

число ходов N = 2;

общее число труб n = 370;

длина труб L = 3,0 м;

масса теплообменника m _ТО = 1970 кг.

Запас по поверхности теплопередачи:

.