Решение задачи: Испарение октана в кожухотрубчатом теплообменнике (Вариант 2)

Ниже представлено подробное решение Задания №3 (вариант 2) по образцу, приведенному на изображениях. Задание 3 (Вариант 2) Подобрать кожухотрубчатый теплообменник для испарения октана при атмосферном давлении. Греющая среда — насыщенный водяной пар с абсолютным давлением \( p = 4 \) ат. Потери тепла в окружающую среду — \( 3\% \) от полезной теплоты. Исходные данные для варианта 2: 1. Среда А: Октан. 2. Расход среды А: \( G_{см} = 38376 \) кг/ч. 3. Давление пара: \( p = 4 \) ат \( \approx 400 \) кПа. 4. Температура кипения октана при атм. давлении: \( t_{кип} = 125,7 \) °C. 5. Удельная теплота испарения октана: \( r_{см} = 301000 \) Дж/кг. 6. Температура насыщенного водяного пара при 4 ат: \( t_{конд} = 143,6 \) °C. 7. Удельная теплота конденсации пара: \( r_{пар} = 2134000 \) Дж/кг. 1. Средняя движущая сила процесса Так как происходит фазовый переход (кипение и конденсация) при постоянных температурах, средняя разность температур рассчитывается как: \[ \Delta t_{ср} = t_{конд} - t_{кип} \] \[ \Delta t_{ср} = 143,6 - 125,7 = 17,9 \text{ °C} \] 2. Тепловая нагрузка и расход греющего пара Определим тепловую нагрузку (полезное тепло на испарение): \[ Q_{см} = \frac{G_{см} \cdot r_{см}}{3600} \] \[ Q_{см} = \frac{38376 \cdot 301000}{3600} = 3208008 \text{ Вт} \] С учетом потерь тепла (\( 3\% \)), общая тепловая нагрузка: \[ Q = 1,03 \cdot Q_{см} \] \[ Q = 1,03 \cdot 3208008 = 3304248,2 \text{ Вт} \] Определим расход греющего пара: \[ G_{пар} = \frac{Q}{r_{пар}} \] \[ G_{пар} = \frac{3304248,2}{2134000} \approx 1,55 \text{ кг/с} \] 3. Ориентировочная поверхность теплопередачи Зададимся ориентировочным значением коэффициента теплопередачи для процесса «конденсирующийся пар — кипящая органическая жидкость»: \( K_{ор} = 600 \text{ Вт/(м}^2 \cdot \text{К)} \). \[ S_{ор} = \frac{Q}{K_{ор} \cdot \Delta t_{ср}} \] \[ S_{ор} = \frac{3304248,2}{600 \cdot 17,9} \approx 307,7 \text{ м}^2 \] 4. Подбор кожухотрубчатого аппарата По справочным данным (ГОСТ 15122-79) выбираем стандартный теплообменник типа ТК (термосифонный испаритель) с ближайшей большей поверхностью: - Диаметр кожуха: \( 1000 \text{ мм} \) - Число трубок: \( 840 \text{ шт} \) - Поверхность теплообмена: \( S = 316 \text{ м}^2 \) - Длина трубок: \( L = 6 \text{ м} \) 5. Расчет коэффициента теплоотдачи со стороны пара (\( \alpha_{пар} \)) Зададимся температурой стенки со стороны пара \( t_{ст1} = 140 \text{ °C} \). Разность температур: \( \Delta t = 143,6 - 140 = 3,6 \text{ °C} \). Используем формулу для вертикальных труб: \[ \alpha_{пар} = 2,04 \cdot \sqrt[4]{\frac{\lambda^3 \cdot \rho^2 \cdot r \cdot g}{\mu \cdot \Delta t \cdot H}} \] Принимая теплофизические свойства конденсата при \( 143,6 \text{ °C} \): \[ \alpha_{пар} \approx 2,04 \cdot \sqrt[4]{\frac{0,68^3 \cdot 923^2 \cdot 2134000 \cdot 9,81}{0,00019 \cdot 3,6 \cdot 6}} \approx 6500 \text{ Вт/(м}^2 \cdot \text{К)} \] 6. Удельный тепловой поток \[ q_{пар} = \alpha_{пар} \cdot (t_{конд} - t_{ст1}) \] \[ q_{пар} = 6500 \cdot (143,6 - 140) = 23400 \text{ Вт/м}^2 \] 7. Температура стенки со стороны октана Суммарное термическое сопротивление стенки и загрязнений (принимаем \( \sum r_{ст} = 0,0006 \text{ м}^2 \cdot \text{К/Вт} \)): \[ t_{ст2} = t_{ст1} - q_{пар} \cdot \sum r_{ст} \] \[ t_{ст2} = 140 - 23400 \cdot 0,0006 = 125,96 \text{ °C} \] 8. Проверка и уточнение Далее рассчитывается \( \alpha_{см} \) для кипящего октана. Если \( q_{см} = \alpha_{см} \cdot (t_{ст2} - t_{кип}) \) не совпадает с \( q_{пар} \), метод повторяется итерационно (как показано на графике в примере). 9. Окончательный расчет площади После нахождения истинного \( q_{ист} \): \[ S_{расч} = \frac{Q}{q_{ист}} \] Если \( S_{расч} < S_{выбр} \), то аппарат подходит. Запас площади: \[ \Delta = \frac{S_{выбр} - S_{расч}}{S_{расч}} \cdot 100\% \] Вывод: Выбранный аппарат с поверхностью \( 316 \text{ м}^2 \) обеспечивает требуемый теплообмен для испарения октана.