Расчет конденсатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Определение температуры конденсации пара

2. Теплофизические свойства конденсата при температуре процесса

3. Теплофизические свойства воды при её средней температуре

4. Тепловая нагрузка аппарата

5. Расход охлаждающей воды

6. Средняя разность температур

7. Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

8. Приближенное значение требуемой площади поверхности теплопередачи

9. Коэффициент тепло передачи со стороны конденсирующегося пара и со стороны охлаждающей воды

10. Коэффициент теплопередачи с учетом термических сопротивлений со стороны пара и охлаждающей воды

11. Расчетная площадь поверхности теплопередачи для вертикального и горизонтального аппаратов

12. Определение запаса поверхности теплопередачи

13. Сравнение горизонтального и вертикального аппаратов, выбор оптимального варианта

14. Расчет диаметров штуцеров. Выбор из ряда условных диаметров

1. Определение температуры конденсации пара

конденсат теплопередача вертикальный нагрузка

Находим температуру конденсации пара, будем считать, что незначительное количество бензола не повлияет на свойства первого компонента толуол:

t_кип = f_(p) P = 1атм

Так как давление (Р) процесса конденсации атмосферное, то температура конденсации является температурой кипения толуола (110,8⁰С). В нашем аппарате происходит только конденсация пара без охлаждения аппарата:

t_1н = t_1k = t_конд.

2. Теплофизические свойства конденсата при температуре процесса

Формируем банк теплофизических свойств конденсата чистого толуола при его температуре конденсации:

Теплофизические свойства толуола

3. Теплофизические свойства воды при её средней температуре

Формируем банк теплофизических свойств воды, будем считать что вода заходит в конденсатор с температурой (t_2н) равной 20⁰С, а на выходе из конденсатора с температурой (t_2к) 40⁰С (согласно практическим рекомендациям воду нельзя нагревать с выше 45⁰С, во избежание солей жесткости в аппарате ) , следовательно средняя температура будет ровна:

t_2cр = = = 30

Теплофизические свойства воды

4. Тепловая нагрузка аппарата

Определяем количество теплоты, которое передает конденсирующейся пар воде. Для этого составим тепловой баланс для рассматриваемого случая:

Q = G₁ r₁ = G₂ C₂ (t_2к -t_2н ),

где G₁ - секундный расход пара конденсата; r₁ - удельная теплота парообразования конденсата; G₂ - расход охлаждающей воды; С₂ - удельная теплоемкость воды; t_2н и t_2к - начальная и конечная температуры воды.

Тепловая нагрузка на конденсатор будет ровна:

5. Расход охлаждающей воды

Из приведенного выше теплового баланса найдем расход охлаждающей воды:

Найдем объемный расход воды, который понадобится для дальнейших расчетов:

.

6. Средняя разность температур

Рассчитаем среднюю разность температур через противоток:

110 ⁰C 110⁰C

40⁰C 20⁰C

?t_м =110 - 40 = 70⁰С ?t_б = 110 - 20 = 90⁰С

Рассчитаем среднюю разность температур:

7. Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

Обобщение опыта эксплуатации большого числа конденсаторов показывает, что коэффициент теплопередачи лежит в диапазоне 300ч800 Вт/м²ЧК, следовательно, примем коэффициент тепло передачи для нашего конденсатора К_орин. = 450 Вт/м²ЧК.

8. Приближенное значение требуемой площади поверхности теплопередачи

Найдем приближенное значение площади поверхности теплообмена:

Выбор по ГОСТу конструкции и варианта аппарата с указанием всех его размеров и массы

Принимаем аппарат со следующими характеристиками:

9. Коэффициенты теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара б₁ (для вертикального и горизонтального аппаратов) и со стороны охлаждающей воды б₂

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к пучку горизонтальных труб найдем по формуле:

Где - коэффициент, зависящий от числа вертикальных рядов труб горизонтального пучка, принимаем его равным 0,6; - массовый расход пара

Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к пучку вертикальных труб найдем по формуле:

Найдем скорость движения воды в трубах пучка:

где z - число ходов по трубному пространству, для выбранного аппарата z=2; d_вн - внутренний диаметр труб трубного пучка.

На эффектность теплопередачи от стенки трубы к воде очень большое влияние оказывает турбулентность потока, которую можно оценить по значению критерия Рейнольдса. его численное значение найдем по формуле:

где - плотность воды, а - вязкость воды при её средней температуре

Рассчитаем коэффициент теплопередачи от стенки трубы к воде

Для расчета нам необходимо найти критерий Нуссельта Nu,

- критерий Прандтля при средней температуре.

10. Коэффициент теплопередачи с учетом термических сопротивлений со стороны пара и охлаждающей воды (для вертикального и горизонтального аппаратов)

где д_ст - толщина стенки трубы; л_ст - коэффициент теплопроводности стали, мы принимаем к установке аппарат из обычной стали, так как обычная сталь во много раз дороже. на основе опыта эксплуатации теплообменного оборудования примем величину термического сопротивления со стороны органической жидкости r₁ = 5800 , а со стороны воды r₂ = 1600

Для горизонтального конденсатора коэффициент теплопередачи будет иметь значение:

Для вертикального конденсатора коэффициент теплопередачи будет иметь значение:

11. Расчетная площадь поверхности теплопередачи для вертикального и горизонтального аппаратов

Расчетная площадь поверхности теплопередачи для вертикального аппарата:

Расчетная площадь поверхности теплопередачи для горизонтального аппарата:

12. Определение запаса поверхности теплопередачи аппарата

Запас поверхности теплопередачи вертикального аппарата:

Запас поверхности теплопередачи горизонтального аппарата:

13. Сравнение горизонтального и вертикального аппаратов, выбор оптимального варианта

Мы выбрали к установке теплообменник с площадью теплопередачи 139 м2. В практике технологических расчётов допустимый запас площади теплопередачи должен находиться в пределах 10-30%. Если принять площадь выбранного к установке конденсатора за 100%, то запас по площади теплопередачи при вертикальной установке составит -3,6%, а при вертикальной установке составит 22,6%

Вывод. Принятый к установке конденсатор может быть установлен только горизонтально. В этом случае запас поверхности теплопередачи составит 22,6%. Вертикальная установка теплообменника нецелесообразна ввиду малого запаса по поверхности теплопередачи

14. Расчет диаметров штуцеров

В выбранном к установке конденсаторе четыре штуцера. Диаметр штуцера зависит от объёмного расхода потока V и скорости этого потока щ. Диаметров штуцеров А, Б. В и Г найдём из уравнения расхода, которое для трубы имеет вид

Откуда

Допустимые скорости потока в трубе принимаются на основе практических рекомендаций.

Для трубопроводов, по которым жидкость перекачивается насосом (напорные трубопроводы), допустимая скорость лежит в пределах 0,5^2,5 м/с. В нашем аппарате это штуцера А и Б для входа и выхода воды. Принимаем скорость в них 1,5 м/с.

Для трубопроводов, по которым движется пар, рекомендуется скорость 15^-40 м/с. В нашем конденсаторе это штуцер В. Примем скорость пара в нём 25 м/с.

При движении жидкости самотёком (самотёчные трубопроводы) рекомендуются скорости в диапазоне 0,1^0,5 м/с. Это штуцер Г для вывода конденсата. Примем скорость жидкости в нём 0,5 м/с.?

Для определения объёмного расхода поступающего на конденсацию пара необходимо знать его плотность при заданном давлении 1 атм. и температуре входа , равной 110 °С. Расчёт плотности выполняется по формуле

где М_т - молярная масса смеси (92 г/моль) , Р - рабочее давление, Р₀ - нормальное давление, Т - рабочая температура, Т₀ - нормальная температура.

Тогда объёмный расход пара составит:

Объёмный расход конденсата определим по формуле:

где с_конд (776кг/м³ ) плотность конденсата при его средней температуре.

Теперь можно приступать к расчёту диаметра штуцеров.

Штуцера А и Б для ввода и вывода воды (при её объёмном расходе 0,044 м /с, см. пункт

По ГОСТу принимаем штуцер с условным диаметром 200 мм.?

Штуцер В для ввода конденсирующегося пара

По ГОСТу принимаем штуцер с условным диаметром 400 мм. Скорость пара при этом незначительно увеличится, оставаясь в рекомендованном диапазоне 15^-40 м/с.

Штуцер Г для вывода конденсата

По ГОСТу принимаем штуцер с условным диаметром 200 мм.

Размещено на Allbest.ru