Решение задачи (Вариант 2): Кожухотрубчатый теплообменник

Ниже представлено подробное решение Задания 3 (вариант 2) по подбору кожухотрубчатого теплообменника-испарителя, оформленное для переписывания в тетрадь. Задание 3 (Вариант 2) Дано: Среда А: Октан Расход среды А: \( G_{см} = 38376 \text{ кг/ч} \) Давление греющего пара: \( p = 4 \text{ ат} \approx 400 \text{ кПа} \) Потери тепла: \( 3\% \) от полезной теплоты (\( \eta = 1,03 \)) Давление в испарителе: атмосферное 1. Физические константы и параметры (справочные данные) Для октана при температуре кипения (\( t_{кип} = 125,7 \text{ °C} \)): Удельная теплота испарения: \( r_{см} = 301000 \text{ Дж/кг} \) Плотность жидкости: \( \rho_{см} = 610 \text{ кг/м}^3 \) Теплопроводность: \( \lambda_{см} = 0,102 \text{ Вт/(м·К)} \) Вязкость: \( \mu_{см} = 0,23 \cdot 10^{-3} \text{ Па·с} \) Для насыщенного водяного пара при \( p = 4 \text{ ат} \): Температура конденсации: \( t_{конд} = 143,6 \text{ °C} \) Удельная теплота конденсации: \( r_{пар} = 2133000 \text{ Дж/кг} \) 2. Средняя движущая сила процесса Так как происходит фазовый переход (конденсация и кипение) при постоянных температурах: \[ \Delta t_{ср} = t_{конд} - t_{кип} = 143,6 - 125,7 = 17,9 \text{ °C} \] 3. Тепловая нагрузка и расход пара Определим полезную тепловую нагрузку (теплоту на испарение): \[ Q_{см} = \frac{G_{см} \cdot r_{см}}{3600} = \frac{38376 \cdot 301000}{3600} = 3208092 \text{ Вт} \] С учетом потерь (\( 3\% \)) расход греющего пара составит: \[ G_{пар} = \frac{1,03 \cdot Q_{см}}{r_{пар}} = \frac{1,03 \cdot 3208092}{2133000} \approx 1,55 \text{ кг/с} \] 4. Ориентировочная поверхность теплопередачи Зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи для органических жидкостей \( K_{ор} = 600 \text{ Вт/(м}^2 \cdot \text{К)} \): \[ S_{ор} = \frac{Q_{см}}{K_{ор} \cdot \Delta t_{ср}} = \frac{3208092}{600 \cdot 17,9} \approx 298,7 \text{ м}^2 \] 5. Подбор аппарата По ГОСТ выбираем кожухотрубчатый теплообменник со следующими характеристиками: Диаметр кожуха: \( 800 \text{ мм} \) Число трубок: \( 520 \text{ шт} \) Длина трубок: \( 6 \text{ м} \) Поверхность теплообмена: \( S = 315 \text{ м}^2 \) 6. Уточняющий расчет (проверка коэффициента теплопередачи) Для сокращения записи примем средний расчетный коэффициент теплопередачи \( K_{расч} \) на основе теплоотдачи при кипении и конденсации. Коэффициент теплоотдачи со стороны пара (конденсация): \( \alpha_{пар} \approx 6000 \text{ Вт/(м}^2 \cdot \text{К)} \). Коэффициент теплоотдачи со стороны октана (кипение): \( \alpha_{см} \approx 1200 \text{ Вт/(м}^2 \cdot \text{К)} \). Расчетное значение коэффициента теплопередачи (без учета загрязнений): \[ K = \frac{1}{\frac{1}{\alpha_{пар}} + \frac{\delta_{ст}}{\lambda_{ст}} + \frac{1}{\alpha_{см}}} \] Принимая термическое сопротивление стенки и загрязнений \( \sum r_{ст} \approx 0,0006 \text{ (м}^2 \cdot \text{К)/Вт} \): \[ K_{расч} = \frac{1}{\frac{1}{6000} + 0,0006 + \frac{1}{1200}} \approx 625 \text{ Вт/(м}^2 \cdot \text{К)} \] 7. Расчетная площадь и запас \[ S_{расч} = \frac{Q_{см}}{K_{расч} \cdot \Delta t_{ср}} = \frac{3208092}{625 \cdot 17,9} \approx 286,8 \text{ м}^2 \] Проверим запас площади выбранного аппарата (\( S = 315 \text{ м}^2 \)): \[ \Delta = \frac{S - S_{расч}}{S_{расч}} \cdot 100\% = \frac{315 - 286,8}{286,8} \cdot 100\% \approx 9,8\% \] Вывод: Выбранный теплообменник с поверхностью \( 315 \text{ м}^2 \) подходит для решения задачи, так как обеспечивает необходимую тепловую нагрузку с запасом около \( 10\% \).