6.2 Визначення витрат теплоносіїв і холодоагентів

За даними значення теплоти, яку потрібно підвести чи відвести від апарату , визначеної з рівняння теплового балансу, знаходять витрату водяної пари, електроенергії, води або розсолу.

Витрата водяної пари на обігрів:

, кг,

де – теплота пароутворення (конденсації) гріючої пари, кДж/кг;

- тепломісткість гріючої пари, кДж/кг;

- теплоємність конденсату, кДж/(кг·К);

- температура конденсації, ^оС.

Витрата електроенергії:

, кВт·год,

де - електротехнічний к.к.д. нагрівальних елементів, величина якого 0,80 - 0,95.

Витрата охолоджуючих агентів- води або розсолу:

, кг,

де - початкова і кінцева температури охолоджуючого агенту, ^оС;

- теплоємність води або розсолу: кДж/(кг·К);

кДж/(кг·К).

6.3 Визначення поверхні теплообміну

Розрахункову поверхню теплообміну апарату визначають з основного рівняння теплопередачі:

, м²,

де - розрахункова поверхня теплообміну, м²;

- коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²·К);

- середня різниця температур між теплоносієм (холодоагентом) і матеріалом, що нагрівають (охолоджують), або температурний напір, °С;

- тривалість нагрівання (охолодження), с.

Визначення коефіцієнту теплопередачі, що є коефіцієнтом швидкості теплового процесу, виявляється найважчим. Коефіцієнт теплопередачі залежить від характеру і швидкості тепообмінних середовищ, а також від умов, у яких відбувається теплообмін.

Коефіцієнт теплопередачі для плоскої багатошарової стінки:

, Вт/(м²·К),

де - термічний опір стінки, (м²·К)/Вт.

Практично більшість стінок хімічних апаратів можна рзглядати як багатошарові, оскільки в процесі роботи вони поступово забруднюються - покриваються накипом, іржею, оливою тощо. Тому термічний опір стінки апарату складається з термічного опору власне стінки та термічного опору забруднень. Теплопровідність накипу лежить у межах 0,2 - 2,5 Вт/(м·К).

Найбільш важким і відповідальним є визначення коефіцієнтів тепловіддачі. Якщо в реакторі відбувається процес нагрівання реакційної маси (без кипіння) за допомогою подачі теплоносія в оболонку при перемішуванні механічною мішалкою, то коефіцієнт тепловіддачі від стінки реактора до реакційної маси розраховують за формулою:

,

де Nu - критерій Нуссельта, що характеризує інтенсивність теплообміну на межі стінка–потік;

d_e – еквівалентний діаметр апарату, м;

λ– κоефіцієнт теплопровідності реакційної маси, Вт/(м·К);

Re – критерій Рейнольдса, який характеризує гідродинамічний режим руху реакційної маси:

де n – число обертів мішалки, с^-1;

d – діаметр лопаті мішалки, м;

ρ – густина перемішуваної рідини (реакційної маси), кг/м³ ;

μ – в’язкість рідини, Па·с;

Рг- критерій Прандтля, що характеризує фізичні властивості реакційної маси:

де с – питома теплоємність реакційної маси, кДж/(кг·К).

Якщо в апараті з оболонкою відбувається нагрівання реакційної маси насиченою водяною парою, то коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки розраховують за формулою:

,

де r - теплота конденсації насиченої водяної пари, Дж/кг;

ρ – густина конденсату, кг/м³;

λ – теплопровідність конденсату, Вт/(м·К);

μ –динамічний коефіцієнт в'язкості конденсату, Па·с;

Δt - різниця температур конденсату і стінки, на якій конденсується пара (орієнтовно приймається 5-10 °С), °С;

Н- висота стінки, на якій відбувається конденсація пари, м.

У таблиці 6.4 наведені наближені значення коефіцієнтів тепловіддачі типових процесів теплообміну.

Орієнтовні значення коефіцієнтів теплопередачі для різних випадків теплообміну наведені в таблиці 6.5.

Температурний напір залежить від виду руху теплоносіїв та їх агрегатного стану в процесі теплообміну. При зміні агрегатного стану обох теплоносіїв температурний напір дорівнює різниці температур конденсації та кипіння:

, °С.

Якщо навіть один з теплоносіїв не змінює свого агрегатного стану, то різниця температур при проходженні його вздовж стінки, яка розділяє теплоносії, буде змінюватися. При цьому середня різниця температур (при прямотечії та протитечії) буде визначатися як середньологарифмічна різниця температур:

при

де Δt_б – більша різниця температур теплоносіїв з одного кінця теплообмінного апарату, ^оС;

Δt_м – менша різниця температур теплоносіїв з другого кінця теплообмінного апарату, ^оС.

Якщо , то середню різницю температур можна обчислити, як середньоарифметичну:

.

Таблиця 6.4

Коефіцієнти тепловіддачі

Процеси теплообміну	Коефіцієнти тепло­віддачі, Вт/(м^2·К)
Нагрівання і охолодження газів (атм. тиск)	10-50
Нагрівання і охолодження органічних речовин	50-1500
Нагрівання і охолодження води	200-10000
Кипіння води	500-10000
Конденсація водяної пари	4000-15000
Конденсація пари органічних речовин	500-2000

Середню різницю температур періодичних процесів охолодження або нагрівання вираховують за більш складною залежністю.

Розраховану за основним рівнянням теплопередачі поверхню теплообміну F_p рекомендується збільшити на 15 - 20%.

За знайденою поверхнею теплообміну визначають конструктивні розміри: діаметр і висоту оболонки (в апараті з оболонкою); висоту і діаметр змійовику; ширину каналів (в пластинчастих і спіральних теплообмінниках) тощо. Поверхню та розраховані розміри необхідно привести у відповідність із діючими нормами ДСТУ.

Таблиця 6.5