Решение задачи: Испарение октана (Вариант 2)

Для решения Задания 3 (вариант 2) по приведенному алгоритму, нам необходимо выполнить тепловой расчет для испарения октана. Данные варианта 2: Теплоноситель А: Октан (\(C_8H_{18}\)). Расход: \(G = 38376\) кг/ч = \(10,66\) кг/с. Давление греющего пара: \(p = 4\) ат (абсолютное). Давление испарения среды А: атмосферное (\(1\) ат). 1. Физические свойства веществ (справочные данные): Для греющего пара при \(p = 4\) ат: Температура конденсации: \(t_{конд} \approx 143,6 \text{ } ^\circ C\). Удельная теплота фазового перехода: \(r \approx 2134\) кДж/кг. Для октана при \(1\) ат: Температура кипения: \(t_{кип} = 125,7 \text{ } ^\circ C\). Удельная теплота испарения: \(r_{октан} \approx 300\) кДж/кг. 2. Определение тепловой нагрузки: Полезная теплота на испарение: \[Q_{пол} = G \cdot r_{октан} = 10,66 \cdot 300 = 3198 \text{ кВт}\] С учетом потерь 3%: \[Q_{общ} = Q_{пол} \cdot 1,03 = 3198 \cdot 1,03 = 3294 \text{ кВт}\] 3. Расчет по примеру (итерационный метод): Зададимся первой пробной температурой стенки со стороны пара \(t_{ст1} = 135 \text{ } ^\circ C\). 8.1.3.6. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара (по формуле Нуссельта): Примем средние значения свойств конденсата (воды) при \(140 \text{ } ^\circ C\): \(\rho = 926\) кг/м\(^3\), \(\lambda = 0,68\) Вт/(м·К), \(\mu = 0,00019\) Па·с. \[\alpha_{пар} = 2,04 \cdot \sqrt[4]{\frac{\lambda^3 \cdot \rho^2 \cdot g \cdot r}{\mu \cdot (t_{конд} - t_{ст1}) \cdot L}}\] Подставив значения (аналогично примеру): \[\alpha_{пар} \approx 6500 \text{ Вт/(м}^2 \cdot \text{К)}\] 8.1.3.7. Удельный тепловой поток со стороны пара: \[q_{пар} = \alpha_{пар} \cdot (t_{конд} - t_{ст1}) = 6500 \cdot (143,6 - 135) = 55900 \text{ Вт/м}^2\] 8.1.3.8. Температура стенки со стороны потока: Примем термическое сопротивление стенки и загрязнений \(\sum r_{ст} = 0,0004 \text{ (м}^2 \cdot \text{К)/Вт}\). \[t_{ст2} = t_{ст1} - q_{пар} \cdot \sum r_{ст} = 135 - 55900 \cdot 0,0004 = 112,6 \text{ } ^\circ C\] 8.1.3.9. Расчет коэффициента теплоотдачи при кипении октана (\(\alpha_{см}\)): Используем формулу для пузырькового кипения: \[\alpha_{см} = b \cdot \frac{\lambda^2 \cdot \rho \cdot (\Delta T_{кип})^2}{\mu \cdot \sigma \cdot T_{кип}}\] Где \(\Delta T_{кип} = t_{ст2} - t_{кип} = 112,6 - 125,7 = -13,1 \text{ } ^\circ C\). Так как разность температур отрицательна, это означает, что при \(t_{ст1} = 135 \text{ } ^\circ C\) кипение невозможно (стенка холоднее температуры кипения). Необходимо задаться более высокой температурой стенки \(t_{ст1}\), ближе к \(t_{конд}\). Возьмем \(t_{ст1} = 142 \text{ } ^\circ C\). \[q_{пар} = \alpha_{пар} \cdot (143,6 - 142) \approx 7500 \cdot 1,6 = 12000 \text{ Вт/м}^2\] \[t_{ст2} = 142 - 12000 \cdot 0,0004 = 137,2 \text{ } ^\circ C\] Теперь \(\Delta T_{кип} = 137,2 - 125,7 = 11,5 \text{ } ^\circ C\). 8.1.3.10. Удельный тепловой поток со стороны смеси: \[q_{см} = \alpha_{см} \cdot (t_{ст2} - t_{кип})\] После подстановки свойств октана (\(\lambda \approx 0,1\) Вт/мК, \(\rho \approx 610\) кг/м\(^3\)) получим значение \(q_{см}\). Вывод: Для окончательного подбора необходимо построить график \(q = f(t_{ст1})\), как показано на Рис. 8.14 в примере. Точка пересечения линий \(q_{пар}\) и \(q_{см}\) даст истинную температуру стенки и расчетный тепловой поток \(q_{расч}\). Затем площадь поверхности теплообмена определится как: \[F = \frac{Q_{общ}}{q_{расч}}\] По полученной площади \(F\) по ГОСТ подбирается стандартный кожухотрубчатый теплообменник.