4. Определение средней движущей силы процесса теплопередачи

Средняя разность температур для противоточной схемы движения:

_{Тсм1=96°С Тсм2=104,3°С}

_{Тт2=179 °С Тт1= 179 °С}

ΔТ_б=179-96=83°С, ΔТ_м=179-104=75 °С. ΔТ_ср= (ΔТ_б+ ΔТ_м)/2=79°С.

5. Определение свойств теплоносителей.

Свойства насыщенного водяного пара и парового конденсата берем из справочной литературы [2,c.537]. Значения сводим в таблицу.

Свойство	Сырьё	Теплоноситель (водяной пар)
Плотность, кг/м^3	770,18	5,037
Теплоемкость, Дж/(кг∙К)	1894	4440
Вязкость, Па∙с	0,31∙10^-3	0,153∙10^-3
Теплопроводность, Вт/(м∙К)	0,117	0,675

6. Определение тепловой нагрузки и расхода теплоносителя.

Тепловую нагрузку Q определим исходя из уравнения

Q=1,05[ḡ·c·(T_w- T_н)+Ḡ·r]=1,05·[10200/3600·1894·(104,3-103,3)+5104/3600∙2024]=3019 кВт

Начальная энтальпия теплоносителя:

I_н=сТ_нк+r=1,894∙104,3+346,5=544,04 кДж

Конечная энтальпия теплоносителя:

I_к= сТ_кк+r=1,894∙103,3+346,5=542,15 кДж

Из уравнения теплового баланса определяется расход теплоносителя:

7. Расчёт коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена.

Ориентировочно принимаем коэффициент теплопередачи равным Кор=2000 Вт/(м²*К) [1,c.47].

Ориентировочная площадь поверхности теплопередачи Fор , необходимая для конденсации пара

м²

Поскольку разность температур теплоносителей больше 50°С, к установке могут быть приняты аппараты с линзовым компенсатором [1,c.56]

Характеристики
диаметр кожуха, мм	400
диаметр труб, мм	25*2
число ходов	2
длина труб, м	4
площадь поверхности теплопередачи, м^2	31
число труб	100

Принимаем, что по трубному пространству аппарата пойдёт сырьё, а по межтрубному – насыщенный водяной пар.

Определение коэффициента теплоотдачи для сырья (трубное пространство).

При кипении в трубах коэффициент теплоотдачи равен

α₁=А’∙q^0,6

где А’=780∙λ^1,3∙ρ^0,5∙ρ_п^0,06/σ^0,5∙ρ_п0^0,66∙μ^0,3∙с^0,3∙r^0,6

ρ_п=ρ_п0=2,96 кг/м³.

α₁=∙q^0,6_расч

При плёночной конденсации насыщенного пара и ламинарном стекании плёнки конденсата под действием сил тяжести коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле

α₂=а∙В∙q^-1|3,

где В=λ∙(ρ²∙g∙r/μ∙l)^1/3.

_{Для вертикальных поверхностей а=1,21;} l=H_тр-высота вертикальной трубы. Для одиночных горизонтальных труб а=0,645, l=d_н – наружный диаметр трубы. Для конденсата водяного пара при температуре конденсации равной _{179 °С физические свойства таковы: λ=0,675 Вт/(м∙К), ρ=5,145 кг/м3, μ=153∙10-6 Па∙с. Отсюда}

_α2=240463,3∙ q^-1|3

Для получения функционального уравнения f(q_расч)=0 используем уравнение

Для нержавеющей стали λ_ст=17,5 Вт/(м∙К), толщина стенки труб теплообменника δ_ст=0,002 м. Принимаем термическое сопротивление загрязнений со стороны кипящей жидкости r_загр=1/5800 (м∙К/Вт). Термическим сопротивлением со стороны конденсирующегося насыщенного водяного пара пренебрегаем. Подставляя в выражение для 1/К_расч значения коэффициентов теплоотдачи, получаем:

f(q_расч)=0,0002867∙ q_расч+0,345∙ q_расч^0,4+0,12∙10^-5∙ q_расч^4/3-ΔТ_ср=0.

Методом последовательного приближения решаем уравнение. Принимаем q_расч1=120000 Вт/м², тогда f(q_расч)=-0,387. При q_расч2=125000 Вт/м² f(q_расч)=2,0545.

Строим вспомогательный график в координатах q_расч-f(q_расч) находим, что f(q_расч)≈0 при q_расч=122000.

При таком q_расч коэффициенты теплоотдачи примут значения

α₁=3267,49; α₂=4848,37

Затем находим критическое значение q_кр, выше которого наступает нежелательный плёночный режим кипения:

q_кр=1,4∙r∙ρ_п^0,5∙(g∙σ∙ρ)^0,25

При средней температуре кипения равной 103,8°С

q_кр=1,4∙346000∙2,96^0,5∙(9,81∙0,0177∙770,18)^0,25=2838152,7.

Расчётная поверхность теплообмена равна

F_расч=Q/q_расч=3018700/122000=24,74 м².

Запас площади поверхности Δ составляет

, %

Δ=(31-24,74)∙100/31=20,1%.

Значение запаса площади поверхности теплопередачи для выбранного теплообменника лежит в допустимых пределах, поэтому такой аппарат можно использовать при испарении сырья.