Так как в заданном нам процессе не происходит изменение агрегатного состояние ни вещества теплоносителя, ни вещества хладагента, то тепловая нагрузка находится по формуле
6. Рассчитаем массовый и объемный расход хладагента:
Исходя из теплового баланса и ранее найденной тепловой нагрузки на аппарат, получим:
7. Рассчитаем среднюю скорость хладагента:
8. Рассчитаем критерий Рейнольдса и режим движения каждого потока:
- развитое турбулентное движение
- развитое турбулентное движение
9. Рассчитаем ориентировочные коэффициенты теплоотдачи для каждого потока.
Коэффициент теплоотдачи находится по формуле . Для расчета необходимо подобрать критериальное уравнение расчета критерия Нуссельта.
Так как горячий поток движется турбулентно в прямых трубах, то критериальное уравнение для расчета критерия Нуссельта будет выглядеть так:
, где для охлаждающихся жидкостей при допустимой погрешности, - коэффициент зависящий от геометрии аппарата и режима движения потока берется их таблицы 2, - критерий Прандтля.
Таблица 2
Значение Re
Отношение L/d
10
20
30
40
50 и более
10000
1,23
1,13
1,07
1,03
1
20000
1,18
1,1
1,05
1,02
1
50000
1,13
1,08
1,04
1,02
1
100000
1,1
1,06
1,03
1,02
1
1000000
1,05
1,03
1,02
1,01
1
Коэффициент Прандтля находится по формуле:
Подставляя вышеполученное, находим критерий Нуссельта и ориентировочный коэффициент теплоотдачи:
Так как холодный поток поперечно обтекает пучок гладких труб при их шахматном расположении, при турбулентном режиме движения жидкости, то критериальное уравнение для нахождения критерия Нуссельта имеет вид:
, где - критерий Прандтля, для нагревающихся жидкостей при допустимой погрешности, - коэффициент учитывающий влияние угла атаки φ находится по таблице 3.
Таблица 3
|
φ |
90 |
80 |
70 |
60 |
50 |
40 |
30 |
20 |
10 |
|
1 |
1 |
0,98 |
0,94 |
0,88 |
0,78 |
0,67 |
0,52 |
0,42 |
Коэффициент Прандтля находится по формуле:
Подставляя вышеполученное, находим критерий Нуссельта и ориентировочный коэффициент теплоотдачи:
10. Рассчитаем ориентировочный коэффициент теплопередачи без учета загрязнений стенки
, где - коэффициент теплопроводности стенки теплообменника
11. Рассчитаем ориентировочный коэффициент теплопередачи с учета загрязнений стенки
Найдем термическое сопротивление стенки и загрязнений:
Ориентировочный коэффициент теплопередачи с учетом загрязнения стенки:
12. Рассчитаем температуру стенки со стороны каждого потока и перерасчет значений коэффициентов теплопередачи, теплоотдачи, удельной теплопроводимости.
Определим ориентировочно значения и , исходя из того что
, где сумма
Найдем:
Проверка суммы :
Исходя из этого, получим
Введем поправку к коэффициенты теплоотдачи, определив .
Критерий Прандтля для октана при
, где - найдены с помощью метода кусочно-линейной интерполяции и сведены в таблицу 4.
Таблица 4
Св-ва потока (1) при t'ст1
Сст1, Дж/кгК
μст1, Пас
λст1, Вт/мК
2105,35684
0,00036
0,14824
Критерий Прандтля для воды при
, где - найдены с помощью метода кусочно-линейной интерполяции и сведены в таблицу 5.
Таблица 5
Св-ва потока (2) при t'ст2
Сст2, Дж/кгК
μст2, Пас
λст2, Вт/мК
4180
0,0007
0,6328
Коэффициенты теплоотдачи:
для октана
для воды
Исправленные значения К, q, tст1, tст2
Дальнейшее уточнение α1, α2 и других величин не требуется так как расхождение между α1, и α2, и других не превышает 5%.
13. Рассчитаем необходимую площадь поверхности теплообмена
С запасом в 10%
14. Подберем диаметры штуцеров для ввода и вывода потоков, исходя из допустимых скоростей их движения.
. Выбираем из стандартного ряда диаметр входного и выходного штуцера для горячего потока
. Выбираем из стандартного ряда диаметр входного и выходного штуцера для холодного потока , так как расчетное значение больше чем стандартное изделие, то необходимо увеличить количество штуцеров для холодного потока.
15. Рассчитаем гидравлическое сопротивление трубного и межтрубного пространств.
Гидравлическое сопротивление в трубном и межтрубном пространстве складывается потерь на трение и местных сопротивлений.
, где - формула Блазиуса, для турбулентного движения в гладких трубах, - сумма коэффициентов учитывающих разные местные сопротивления, в частности для трубного пространства характерны местные сопротивления вида: «вход в трубу», «выход из трубы», где таких местных сопротивлений n штук (n – количество трубок). Исходя из этого . Тогда гидравлическое сопротивление:
Гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве:
, где - сумма коэффициентов учитывающих разные местные сопротивления, в частности для трубного пространства характерны местные сопротивления вида: «вход в трубу», «выход из трубы», «внезапное расширение», «внезапное сужение», «поворот потока». Исходя из этого . Тогда гидравлическое сопротивление:
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
Необходимый процесс охлаждения провести в заданном нам аппарате не возможно, так как площадь поверхности теплообмена у заданного аппарата много меньше необходимой (). Чтобы проводить заданный процесс необходимо либо изменить конструкцию аппарата (увеличить количество ходов, «оребрить» трубки), что несомненно приведет к большим денежным затратам и сложностью обслуживания самого аппарата, либо последовательно выстроить 4 таких аппарата, что в существенной мере сократит расходы на обслуживание, но монтаж такой системы и ее «большие площади» приведут к росту постоянных затрат.
БИБЛИОГРАФИЯ.
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. – 12-е изд., стереотипное. Перепеч. с изд. 1987 г. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. – 575 с.
2. Измайлов В.Д., Филлипов В.В. Справочное пособие для расчетов по процессам и аппаратам химической технологии. Самара, СамГТУ, 2006, 43 с.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. – 11-е изд., стереотипное доработанное. Перепеч. с изд. 1973 г. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2005 – 753 с.
Страницы: 1, 2
