Нахождение коэффициента теплопередачи

Вначале на первом этапе принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи Кор. и рассчитываем ориентировочное значение теплопередающей поверхности Fор. По уравнению (2). После этого по ориентировочному значению теплопередающей поверхности подбираем по табличным данным нормализированный вариант конструкции теплообменного аппарата, а затем проводим уточнённый расчёт коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи и требуемой поверхности (Fрасч.).

Примем Кор. =300 Вт/мІград. [ 2 ]

По уравнению (2) рассчитаем ориентировочную поверхность теплообмена:

716310,45

Fор. = ──────── = 41 мІ

300 · 58

Рассчитав Fор. Подбираем по каталогам нормализированные варианты теплообменных аппаратов.

Для каждого из аппаратов рассчитываем критерий Рейнольдса [1]:

Re = ω · dэ · ρ / μ (7)

где ω – линейная скорость потока м/с,

Dэ – диаметр эквивалентный м,

ρ – плотность вещества кг/мі,

μ – вязкость вещества Па/с

Скорость рассчитываем по формуле:

ω = М / ρ·S (8)

где М – массовый расход теплоносителя кг/с,

ρ – плотность вещества кг/мі,

S – площадь сечения одного хода по трубам мІ,

Таблица 2 Параметры кожухотрубчатых теплообменников и холодильников в соответствии с ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 [ 2 ]

Выбираем теплообменник №4, так как у него значение Рейнольдса наибольшее и равно 3819,38. Режим переходный 2300<Re<10000.

Метод и уравнение для расчёта коэффициентов теплоотдачи определяются, главным образом, характером теплообмена, условиями гидродинамического взаимодействия теплоносителя с поверхностью теплообмена и конструкцией теплообменного аппарата.

Теплоотдача при плёночной конденсации насыщенного пара на наружной поверхности пучка вертикальных труб рассчитывается по уравнению [1]:

_________________

α^г = 3,78 · λ · і√ ρ² ·N · dн / μ ·G^г (9)

где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/мІК,

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя

при определяющей температуре, Вт/мК,

μ – вязкость теплоносителя при определяющей температуре Па*с,

ρ – плотность вещества, кг/мі,

λ, μ, ρ – для плёнки конденсата,

N – количество трубок в кожухотрубчатом теплообменнике,

dнар. – наружный диаметр трубок в теплообменнике, м,

G^г – расход горячего теплоносителя, кг/с,

λ см = λ2 (х₂ ) + λ₁ (1-х₂ ) – 0,72 (λ₂ - λ ₁) · х₂ (1 – х₂) (10)

λ⁸⁹_бензол=0,1283 Вт/м ч град,

λ⁸⁹_толуол=0,1214 Вт/м ч град, [1]

λсм = 0,1283 · 0,78 + 0,1214 (1- 0,78) – 0,72 (0,1283 – 0,1214) · 0,78 (1 – 0,78) = 0,1259215 Вт/ мК

ρ⁸⁹_б = 797,4 кг/мі; ρ⁸⁹_{т =}792 кг/мі [ 1 ]

1 хб хт

──── = ───── + ───── (11)

ρсм ρб ρ

1 0,78 0,22

──── = ──── + ─────

ρсм 797,4 792

ρсм = 796.812 кг/мі

lgμсм = х₁ lgμ₁ + x₂ lgμ₂ (12)

х₁ , x₂ –мольные доли компонента в смеси кмоль комп. / кмоль см,

μ⁸⁹_{бензола} = 0,000294 Па с; μ⁸⁹_{толуола} = 0,0002998 Па с [ 1 ]

lgμсм = 0.92 · lg0.000294 + 0.08 · lg0.0002998 = 0.275 · 10^-3 Па*с

G^г = ──── = 1,8 кг/с

По формуле (9) найдём коэффициент теплоотдачи:

_________________________________

α_конд^верт = 3,78 · 0,1259 · і√ (796)І · 316 · 0,020 / 0,2750 ·10^-3 · 1,80

α_конд^верт = 954,54 Вт/мІ

Для нахождения коэффициента теплоотдачи холодного теплоносителя воспользуемся формулой:

Nu · λ

α^х = ─────── (13)

d_э

где Nu – критерий Нуссельта,

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя при определяющей температуре Вт/ мК,

d_э - внутренний диаметр трубок в теплообменнике м,

Переходное течение жидкости в прямых трубах и каналах рассчитывается по формуле [1]:

Nu = 0.008 Re^0.9 · Pr^0.43 (14)

Cp ·μ

Pr = ────── (15)

λ

Cp³¹_вода = 4183,5 Дж/кг град, [1]

μ³¹_вода =0,840·10^-3 Па*с, [1]

λ³¹_вода = 0.61813 Вт/ мК, [1]

4183,5·0,840·10^-3

Pr = ───────────── = 5.6851

0.61813

Nu = 0.008 (3819.38)^0.9 · (5.6851)^0.43 = 28.27

По формуле (13) найдём коэффициент теплоотдачи:

28,27 · 0,633

α^х = ───────── = 1118,43 Вт/мІК

0,0016

Коэффициент теплопередачи рассчитывается с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений с учётом наличия загрязнений по обе стороне теплопередающей стенки [1]:

1 1 δ_ст 1

─── = ──── + ─── + r_зг + r_зх + ──── (16)

К α^г λ_ст α^х

δ_ст = 0,002 м [2]

λ_ст = 17.5 Вт/мК [1]

r_зг = 1900 Вт/мІК [2]

r_зх = 5800 Вт/мІК [2]

1 1 0,002 1 1 1

─── = ─── + ───── + ─── + ─── + ───── = 0,00275341 Вт/мІград

К 954,54 17,5 5800 1900 1118,43

Красч. = 363 Вт/мІград

По формуле (2) найдём расчётную поверхность:

716310,45

Fрасч. = ──────── = 34 мІ

363 · 58

Далее проводим сопоставление выбранного варианта нормализированного теплообменника с расчётным по величине коэффициента запаса В:

Fст. – Fрасч.

В = ──────── · 100 % (17)

Fст

41 - 34

В = ──────· 100 % = 17 %

Допускается, как правило, превышение стандартной поверхности нормализованного теплообменника над расчётной не более чем 20 %.

1.2. РАСЧЁТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Целью расчёта тепловой изоляции является определение необходимой толщины слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. Температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45°С.

Расчёт толщины теплоизоляционного слоя материала проводят по упрощённой схеме, используя следующие уравнения [1]:

Qп = αн · F(tиз. – tокр.) (17)

λиз.

Qиз =. ──── · F(tст. – tиз.) (18)

δиз.

Так как Qп = Qиз, то из этого следует:

λиз. (tст. – tиз.)

δиз. = ───────── (19)

αн (tиз. – tокр.)

где α – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду, Вт/мІК,

δиз. – толщина материала изоляции, мм,

λиз. – коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/мК,

tст., tокр., tиз. – соответственно температуры наружной стенки аппарата, окружающей среды, наружной поверхности теплоизоляционного материала °С,

Коэффициент теплоотдачи, который определяет суммарную скорость переноса теплоты конвекций и тепловым излучением для аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре до 150°С можно рассчитать по приближённому уравнению:

αн = 9,74 + 0,07∆t (20)

Выбираем теплоизоляционный материал – стеклянная вата.

Задаём температуры:

Tст = 89°С

Tокр = 25°С

tиз. = 40°С

λиз. = 0,05 Вт/мК [1]

Рассчитываем значение коэффициента теплоотдачи:

∆t = tиз - tокр. = 40° - 25° = 15°С

αн = 9,74 + 0,07 * 15°С = 10,79

По уравнению (19) найдём толщину материала изоляции:

0,045 (89 – 40)

δиз. = ───────── = 13,3 мм

10,79 (40-25)

1.3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Основной целью гидравлического расчёта теплообменных аппаратов является определение затрат энергии на перемещении жидкости через теплообменник и подбор насоса или вентилятора.

В общем случае мощность N [кВт],потребляемая двигателем насоса рассчитывается по уравнению [1]:

V · ∆Рп

N = ───────── (21)

1000 ŋн ŋ пер. ŋдв.

где V – объёмная производительность, мі/с,

∆Рп - потеря давления при течении теплоносителя, Па,

ŋн,ŋпер., ŋдв. – соответственно коэффициенты полезного действия собственно насоса, передаточного механизма и двигателя

V = ω · S =0.2010 · 0.009 = 0.001809 мі/с

ω = 0,2010 (таблица 1,2)

S = 0,009 (таблица 1,2)