Тепловой и компоновочный расчёты спирального теплообменника

Задание. Произвести тепловой и компоновочный расчеты спирального теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола с расходом G_б=1000кг/час при атмосферном давлении.

Жидкий бензол отводится при температуре конденсации насыщенных паров. Охлаждающий агент - вода с начальной температурой –t_в¹=22⁰С и конечной –t_в¹¹=32⁰C. Термическое сопротивление поверхности теплообмена со стороны бензола – 0,0001м²час*К/ккал, а со стороны воды - 0,0007м²*час*К/ккал. Температура кипения бензола при атмосферном давлении t_к=80,1⁰С, а скрытая теплота парообразования бензола – r=94,5ккал/кг.

Решение.

1. Определяем основные параметры спирального теплообменника.

Больший температурный напор ∆t_б = t_к - t_в¹ = 80,1-22 = 58,1⁰С

Меньший температурный напор ∆t_м = t_к - t_в¹¹ = 80,1-32 = 48,1⁰С

Среднелогарифмический напор

 

∆t=(∆t_б - ∆t_м)/ℓn(∆t_б/∆t_м) = (58,1-48,1)/ℓп(58,1/48,1)=52,9⁰С

 

Средняя температура охлаждающей воды

 

t_в = t_к - ∆t=80,1 - 52,9 = 27,2⁰С

 

Тепловая нагрузка (теплопроизводительность)

 

Q=G_бr =1000*94,5=94500ккал/час=94500*427*9,81/3600 = 109958Вт ≈ 110кВт

 

Здесь:

r = 94,5ккал/кг - скрытая теплота парообразования бензола при атмосферном давлении;

G_б = 1000кг/час – массовый расход бензола (задано).

 

Массовый расход охлаждающей воды

 

G_в =Q/c_р(t_в¹¹-t_в¹) =94500/(1*(32-22)) = 9450кг/час.

 

Здесь с_р= 1ккал/кг*К – теплоёмкость воды при средней температуре t_в=27,2⁰С.

2. Тепловой расчет спирального теплообменника.

 

Основные размеры канала спирального теплообменника и скорости движения теплоносителей.

2.1. Площадь поперечного сечения канала спирального теплообменника определяем по параметрам движения охлаждающей воды.

Принимаем скорость движения воды W ≈ 0,5м/c. Тогда ориентировочная площадь поперечного сечения канала

 

S=G_в/(ρ*w*3600)= 9450/(1000*0,5*3600) = 0,00525 м²,

где ρ = 1000кг/м³ – плотность воды

Примечание: при значении массового расхода воды, превышающем 10000кг/час, принимать скорость движения воды по зависимости

 

W ≈ 0,5 + (G_в - 10000)*0,5/10000,

а затем определять площадь поперечного сечения канала.

 

Принимая высоту канала равной в=10мм, получим ширину спирали

 

В=S/в=0,00525/0,01 = 0,525 м= 525 мм

 

С учетом конструктивных особенностей организации уплотнения каналов с торцов (рис.5 и рис.6, Приложение), принимаем ширину канала равной

 

В_к=0,5=500 мм.

 

Тогда, скорость охлаждающей воды равна

 

W_в=G_в/(3600*ρ_в*В_к*в)=9450/(3600*1000*0,5*0,01) = 0,525м/c

 

Для бензола принимаем такое же сечение канала S_б = S

Скорость движения бензола в каналах теплообменника

 

W_б = G_б/(3600*ρ_б*В_к*в) = 10³/3600*825*0,5*0,01=0,067м/c

 

Здесь ρ_б = 825кг/м³ плотность жидкого бензола на линии насыщения [2].

 

Определим коэффициент теплопередачи.