Спиральные теплообменники

        – вязкость хлорбензола при tср = 53 °С, Па*с

 

                                       Re = 1071,4*0,72*0,016/0,552*10 =31055

  -  Определяем критерий  Прандтля по формуле:

 

                                     Pr = *с/                                                                                    (3.15)

где  – вязкость хлорбензола при tср = 53 °С, Па*с

        с  – удельная теплоемкость хлорбензола  при tср, Дж/кг*К

        – теплопроводность хлорбензола при tср, Вт/м*К

 

                             Рг = 0,552*10  *0,34*4190/0,1053*1,16 = 6,44

 

   -  Определяем критерий  Нуссельта по формуле:

 

                                   Nu = 0,023*Re^0.8 *Pr^0.43                                                                    (3.16)

где  Re – критерий Рейнольдса

        Nu – критерий Нуссельта

 

                                 Nu = 0,023*31055^0,8 * 6,544^0,43  = 2013

 

    - Определяем точный  коэффициент теплоотдачи от хлорбензола  к стенке аппарата,

 Вт/м²*К по формуле:

 

                                 ₁= Nu * / dэкв                                                                         (3.17)

где  Nu – критерий Нуссельта

        – теплопроводность хлорбензола, Вт/м*К

        dэкв – эквивалент диаметра канала, м

 

                               ₁= 201,3*0,1053*1,16/ 0,016 = 1536,4 Вт/м²*К

 

2.2.7. Определяем точный  коэффициент теплоотдачи от НВП  к стенке спирали (канал 1)

Расчет производим согласно схеме:

 

Тепловой баланс ------- G ------- Г ------ Re пл ------ Nu пл ------- ₂

                                                                                                  пл

     - Определяем  количество НВП, необходимого  для подогрева хлорбензола по  формуле:

 

           Qr = Qх           Qr =  Qконд. = G *r        Qх = Qнагр.

 

                            G = Qнагр./ г                                                                                    (3.18)

где  Qнагр. – тепловая нагрузка на аппарат, Вт

        г  – удельная теплота испарения  НВП, Дж/кг

        G – массовый расход НВП, кг/с

 

                         G = 217363,8 / (515,52*4190) = 0,1 кг/с

 

    - Определяем плотность  орошения поверхности, по которой  стекает пленка, кг/м*с   по формуле:

                                   Г = G/П                                                                                    (3.19)

где  Г – плотность  орошения, кг/м*с

        П  – периметр поверхности, м

        G – массовый расход НВП, кг/с

 

                                  Г = 0,1/12,5 = 0,008 кг/м*с

 

    - Определяем режим  движения пленки, Re пл, по формуле:

 

                              Re пл = 4*Г/ ж                                                                            (3.20) 

где Г – плотность орошения поверхности, кг/м*с

       ж – вязкость жидкости при Тср = 135 °С, Па*с

 

                               Re пл = 4*0,008/0,1394*10^-3 = 229,5

    - Определяем критерий  Nu пл по формуле:

     

При Re пл < 400            Nu = 1.86/ Re                                                                      (3.21)

 

                                       Nu = 1,86/229,5  = 0,31

    - Определяем толщину  пленки, м  по формуле:

 

                                      пл = ( ж / ж *g)                                                             (3.22)

 

где    ж – вязкость жидкости при Тср = 135 °С, Па*с

         ж –плотность жидкости при Тср = 135 °С, кг/м³

         g – ускорение свободного падения, м/с2

 

                                      пл = [(0,1394*10  )/(916,3* 9,81)] = 1,316*10^-5  м

 

    - Определяем точный  коэффициент теплоотдачи от НВП  к стенке спирали (канал 1),

Вт/м²*К по формуле:

 

                                      ₂ = Nu пл* л / пл                                                           (3.23)

где  Nu пл – критерий Нуссельта

        л – теплопроводность жидкости при Тср =135 °С, Вт/м*К

        пл – толщина пленки, м

 

                                     ₂= 0,31*0,595*1,16/ 1,316*10^-5   = 16458,6 Вт/м² *К

 

3.2.2.8. Определение точного  коэффициента теплопередачи, Вт/ м² *К по формуле:

 

                 К = 1/[(1/ ₁) + r загр₁ + ( ст/ ст) + г загр₂ + (1/ ₂)]                       (3.24)

где  ₁, ₂ – коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя к стенке спирали хлорбензола и НВП, Вт/ м² *К

        г  зангр₁, г загр₂ – термическое сопротивление слоя загрязнений со стороны хлорбензола и НВП, м² *К/Вт

        ст – толщина стенки, м

        ст – коэффициент теплопроводности стенки, Вт/м*К

 

               К = 1/ [(1/ 1536,4) + 0.00018 + (0.002/50) + 0.00018 + (1/16458,6)] = 900,9 Вт/ м²  *К

 

3.2.2.9 Определяем точную  поверхность теплообмена,  F, м , по формуле:

 

                               F = Q/(К* ср)                                                                           (3.25)

где  Q – тепловая нагрузка на аппарат, Вт

        К  – коэффициент теплопередачи,  Вт/ м² *К

        ср – средний температурный напор, °С

 

                              F = 217963,8/(900,9*82) = 2,95м²

Вывод: Полученная точным расчетом поверхность теплообмена меньше подобранной по ГОСТ, следовательно, удовлетворяет условиям теплосъема и позволяет наращивать производительность.

 

                         3.2.3. Гидравлический расчет

 

Цель работы: - определить гидравлическое сопротивление спирального  теплообменника.

 

     Исходные данные:

- местное сопротивление  при входе в камеру, ₁              1,5

- местное сопротивление  на круглые змеевики, ₂           6

- местное сопротивление  на выходе из камеры, ₃           1,5

- универсальная газовая  постоянная, R, Дж/Кмоль*К      8314

- температура НВП, Т,  °С                                                      135

- давление, Р, Мпа                                                                 0,319

 

3.2.3.1. Определение гидравлического  сопротивления канала 1 (НВП),   Т, по формуле:

 

                       Р = *(w * )/2                                                                                   (3.26)

3.3.1.1. Определяем длину  спирали L, V, по формуле:

 

                        L =F/2B                                                                                                 (3.27)

где   F – точная поверхность теплообмена = 10 м²

         В – ширина спирали = 0,4 м

 

                         L = 10/0,8 = 12,5 м

3.3.1.2. Определяем шаг спирали,  t, м, по формуле:

 

                          t = b +                                                                                               (3.28)   

где  b – ширина канала, м

       – толщина листа, м

 

                          t = 0,008 + 0,005 = 0,013 м

3.3.1.3. Определяем число  витков спирали, N, по формуле:

                         N =    (2L/3.14) + х² – х                                                                    (3.29)

где                           х = 0,5*(d/t –1)                                                                        (3.30)

                              

                                 х = 0,5*(0,3/0,013 – 1) = 11

 

                                 N =    2*12,5/3,14 + 11²  - 11 = 11,2   принимаем 12 спиралей

 

3.3.1.4. Определяем сумму  местных сопротивлений,    е , по формуле:

 

                            = ₁ + ₂ + ₃

где  ₁– местное сопротивление при входе в камеру

       ₂– местное сопротивление на круглые змеевики в камере

       ₃– местное сопротивление на выходе из камеры

 

                              = 1,5 + 0,5*12 + 1,5 = 9

3.3.1.5. Определяем линейную  скорость НВП, w, м/с, по формуле:

 

                          w = G/(S*p)                                                                                  (3.31) 

где  G – массовый расход НВП, кг/с

        S – площадь сечения, м²

        – плотность НВП при Т= 135 °С, кг/м³

 

                            w = 0,1/(0,0032*1,72) = 18,2 м/с

3.3.1.6 Определяем гидравлическое  сопротивление канала 1 (НВП),    Р, Па, по формуле:

 

                           Р =  *(w²  */2* )                                                                      (3.32)

где  – сумма местных сопротивлений

            w – линейная скорость движения НВП, м/с

            – плотность НВП, кг/м³

 

                         Р = 9*(18,2 ² *1,72 /2) = 2564 Па

3.2.3.2. Определение гидравлического  сопротивления канала II (хлорбензола)   Р, Па, по формуле:

 

                        Р =  *(w² * /2)

где    – сумма местных сопротивлений

            w- линейная скорость движения хлорбензола, м/с

            – плотность хлорбензола, кг/м³

 

                      Р = 9* ( 0,72 ² *1077 /2) = 2512 Па

 

               

 

                           3.2.4 Конструктивный расчет

 

Цель расчета: - произвести проверочный расчет штуцеров и фланцев, подбор их по ГОСТ

     Исходные данные:

• плотность хлорбензола, , кг/м³                                   1077
• массовый расход хлорбензола, g, кг/с                          2,5
• скорость движения хлорбензола, w, м/с                       0,72
• плотность НВП, , кг/м³                                               1,72
• скорость движения НВП, w, м/с                                    18,2
• массовый расход НВП, g, кг/с                                        0,1
• скорость движения конденсата, w, м/с                          0,02 
• плотность конденсата, , кг/м³                                     931,75

3.2.4.1. Определяем диаметр  условного прохода штуцеров для  входа и выхода хлорбензола, d хб, м, по формуле:

 

                        d хб =   g/(0.785*w* )                                                                          (3.33)

где  g – массовый расход хлорбензола, кг/с

        w- скорость движения хлорбензола, м/с

       – плотность хлорбензола, кг/м³

 

                       d хб =  2,5/(0,785*0,72*1077) = 0,064 м

Принимаем стандартный штуцер d у = 65мм

 

3.2.4.2. Определяем диаметр  условного прохода штуцера для  входа  НВП, d нвп, м, по формуле:

 

                       d нвп = g/(0,785*w* )

где  g – массовый расход НВП, кг/с

       w- скорость движения НВП, м/с

       – плотность НВП, кг/м³

 

                       d нвп = 0,1/(0,785*18,2*1,72) = 0,064 м

Принимаем стандартный штуцер d у = 200 мм

 

3.2.4.3. Определяем диаметр  условного прохода штуцера для  выхода конденсата НВП, dк, м, по формуле:

 

                                d к = g/(0,785*w* )

где  g – массовый расход НВП,кг/с

       w- скорость движения конденсата, м/с

       – плотность конденсата, кг/м³

 

                               d к =  0.1/(0.785*0.02*931.75) = 0.082 м

Принимаем стандартный штуцер d у = 100мм

 

                           

 

 

Таблица 3 -  Размеры фланцев  по ГОСТ 1255-67

  Условное        Назначение        Ду       dн       dв        Д       Д1      в       Д2       h       d        n

обозначение     штуцера                                     мм        

       Г                 Выход  

                          Конденсата       100      108      110      205   170     11     148       3     16       4

     Б,В               Вход и выход  

                          Хлорбензола    65       76         78      160     130     11      110      3     14       4

       А                Вход НВП        200     219       222    315     280      15     258      3     18       8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5. Вывод

     В процессе  выполнения курсового проекта  были использованы знания по  следующим дисциплинам: «Процессы  и аппараты », «Оборудование  химических предприятий».

• Рассчитали расход теплоносителя НВП.
• Определили тепловую нагрузку на аппарат.
• Определили ориентировочную поверхность теплообмена и подобрали аппарат по ГОСТ.

Приобрели навыки в работе со справочной  и технической  литературой в целях подготовки к курсовому проекту по специальным предметам и к дипломному проектированию.