Подбор и расчёт кожухотрубчатого испарителя

Задача 38

В кубе-кипятильнике производится испарение 4 т/ч бензола при нормальном атмосферном давлении. В качестве теплагента используется насыщенный водяной пар, подаваемый под избыточным давлением 0,2 кгс/см². Тепловыми потерями пренебречь. Подобрать теплообменник и выполнить его поверочный расчёт.

 Решение

Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация).

Хладагент – жидкий бензол (кипение).

Абсолютное давление насыщенного водяного пара:

.

Температура и удельная теплота конденсации насыщенного водяного пара: ,  [2, c. 7].

Температура кипения и удельная теплота испарения хладагента (бензола) при нормальном атмосферном давлении:

 [2, c. 13],  [2, c. 20].

Движущая сила в случае постоянства температур теплоносителей равна их разности: .

Массовый расход хладагента:

.

Расход тепловой энергии на испарение хладагента (бензола):

.

При отсутствии тепловых потерь: .

Массовый расход теплагента (насыщенного водяного пара):

.

Физические свойства парового конденсата при температуре :

плотность  [2, с. 4],

вязкость  [2, с. 4],

теплопроводность  [2, с. 4].

Физические свойства халадагента при :

плотность жидкости  [2, с. 14],

вязкость жидкости  [2, с. 15],

теплоёмкость жидкости  [2, с. 18],

теплопроводность жидкости  [2, с. 19],

поверхностное натяжение  [2, с. 16],

молярная масса  [2, c. 13],

плотность пара

.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на вертикальных поверхностях:

,

где

.

При различной высоте труб получаем различные значения a:

L = 2 м, ;

L = 3 м, ;

L = 4 м, .

Коэффициент теплоотдачи при кипении в трубах:

,

где  – плотность пара при нормальном атмосферном давлении.

Поскольку по условию задачи теплообменник работает при нормальном атмосферном давлении, то  и формула для коэффициента теплоотдачи при кипении в трубах принимает вид:

,

где

.

При кипении в трубах кожухотрубчатые испарители могут быть только одноходовыми. Тогда, в соответствие с таблицей [4, с. 57, табл. 2.9], у всех испарителей диаметр труб составляет 25×2 мм, откуда:

, .

С учётом цилиндрической стенки корректируем коэффициент b:

.

Загрязнения поверхности стенки [1, с. 531, табл. XXXI]:

со стороны теплагента (насыщенный пар)

со стороны хладагента (органическая жидкость) .

Теплопроводность стальной стенки трубок теплообменника:

для неагрессивных жидкостей берём углеродистую сталь ,

для агрессивных жидкостей (органические кислоты, нитробензол) берём нержавеющую сталь .

Сумма термических сопротивлений стенки и её загрязнений:

.

С ростом плотности теплового потока q коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара α₁ уменьшается, а со стороны кипящей жидкости α₂ растёт. При этом существует оптимальное значение q, при котором зависящий от коэффициентов теплоотдачи коэффициент теплопередачи будет максимальным.

Оптимальное значение плотности теплового потока находят из уравнения:

.

Решаем уравнение методом подбора:

L = 2 м, ,    q = 15 156 Вт/м²;

L = 3 м, ,    q = 14 962 Вт/м²;

L = 4 м, ,    q = 14 812 Вт/м².

Критическое значение плотности теплового потока при кипении:

.

Расчётная площадь поверхности теплопередачи:

L = 2 м, ;

L = 3 м, ;

L = 4 м, .

Выбираем из [4, с. 57, табл. 2.9] одноходовой теплообменник с такой площадью поверхности, чтобы запас по поверхности составлял от 5 до 50 %.

Характеристики теплообменника:

площадь поверхности теплопередачи A _ТО = 40 м²;

диаметр кожуха D = 600 мм;

диаметр труб d = 25×2 мм;

число ходов N = 1;

общее число труб n = 257;

длина труб L = 2,0 м.

Запас по поверхности теплопередачи:

.