Изчисляване на оптималния топлообменник според параметрите на ефективността на топлопреминаване
Описание на топлообменния процес
Списък на използваните източници
Изберете от редица типични топлообменници топлообменника, който е оптимален по отношение на ефективността на топлообмен, в който 100 000 kg/h ацетон променя температурата си от t1n до 40 ° C поради топлообмен с 90 000 kg / h дивинил, който има начална температура от 10 ° C и крайна температура от 50 ° C. Определете цената на топлообменника, като вземете предвид разходите и факторите за монтаж.
Схемата на процеса на топлообмен е показана на фигура 1.
Фигура 1 - Схема на топлообменния процес
Данните за изчисление (стойности на топлинните мощности и коефициенти на уравнението на Антоан [1]) са дадени в таблица 1.
Таблица 1. Данни за изчисление
Описание на топлообменния процес
Основната група топлообменници, използвани в промишлеността, са повърхностни топлообменници, при които топлината от горещ охладител се прехвърля към студен охладител през стена, която ги разделя. Друга група се състои от смесителни топлообменници, в които топлината се предава чрез директен контакт на горещ и студен топлоносител.
Относителното движение на топлоносителите оказва голямо влияние върху процеса на топлообмен в повърхностните топлообменници. При непрекъснатите процеси на топлообмен се разграничават следните схеми за относителното движение на топлоносителите: правопоток (или паралелен ток), при който топлоносителите се движат в една и съща посока; противоток, при който охлаждащите течности се движат в противоположни посоки; смесен ток, при който топлоносителите се движат както в правопоточно, така и в противоточно направление един спрямо друг, т.е. в тази схемадвижението съчетава предни и противопоточни схеми.
Относителното движение на топлоносителите оказва значително влияние върху големината на движещата сила на процеса на пренос на топлина. В допълнение, изборът на схема за движение на топлоносителите може да доведе до забележими технологични ефекти (спестяване на топлоносител, „по-меки“ условия за нагряване или охлаждане на медиите и др.).
Обсъждане на резултатите
В тази работа ще извършим изчисляването на топлообменника съгласно добре познатата техника [2].
Първо, определяме липсващата начална стойност за изчислението - това е дебитът на втория поток t1н.
Количеството топлина за първия поток (Q1) може да се определи по формулата:
G1 е дебитът на първия поток, kg/h,
C1 е топлинният капацитет на първия поток, kJ/(kg∙K),
Дt1 е температурната разлика на първия поток, О С.
По същия начин количеството топлина за втория поток (Q2) се определя по формулата:
G2 е дебитът на първия поток, kg/h,
C2 е топлинният капацитет на първия поток, kJ/(kg∙K).
Дt2 е температурната разлика на първия поток, ОС.
Нека определим количеството топлина за втория поток (Q2):
Q2 \u003d ∙ 2,65 ∙ (50 - 10) \u003d 2650 kW.
От условието за равенство на количеството топлина на първия и втория поток (Q1 = Q2 ), определяме липсващата начална стойност за по-нататъшно изчисление (начална температура на първия поток t1н ). Нека изразим t2k от формулата и да определим нейната стойност:
t1n \u003d + 40 \u003d 81,84 ° C.
След това разглеждаме опцията за пренос на топлина с директно движение на потоците. Температурната диаграма на потоците е показана на фигура 2.
Фигура 2 - Диаграма на температурния поток за предния поток
От температурната схема се вижда, че при този вариант на топлообмен при зададени начална и крайна температура на потоците се наблюдава следното:наречено "температурно пресичане", това показва, че тази опция за топлообмен няма да работи.
Въз основа на този извод можем да направим друг също толкова важен извод. Тъй като опцията за смесен ток е комбинация от съпътстващ и противотоков поток, схемата със смесен ток също няма да работи за тези температури на потока.
Помислете за вариант на противоточен поток. Температурната диаграма е показана на фигура 3.
От температурната схема на противоточното движение се вижда, че при този вариант на топлообмен не се случват "температурни пресичания", има температурна разлика през целия интервал от време. Тази опция се приема за допълнително обсъждане.
Конструктивно, кожухотръбните топлообменници вътре имат тръбопроводно и пръстеновидно пространство, където се подава съответно едната и другата охлаждаща течност. По този начин става необходимо да се разгледат два варианта: първият вариант е, когато горещият поток се подава към тръбното пространство, а студеният поток към пръстеновидното пространство, а вторият вариант е, когато, напротив, студеният поток се подава към тръбното пространство, а горещият поток към пръстеновидното пространство.
Фигура 3 - Температурна диаграма на движение на потоци с противоток
Обмислете опцията, когато горещ поток се подава към тръбното пространство (G1), а студен поток се подава към пръстена (G2).
За да се изчисли цената на топлообменника, е необходимо да се знае площта на топлообменната повърхност. За това обаче е необходимо да се знае средната температурна разлика в топлообменника Dtav, която се определя в зависимост от стойността на съотношението, където Dtb е голяма температурна разлика в топлообменника, Dtm е по-малка температурна разлика.
Ако съотношението ≤ 2, тогава средната стойностразликата се определя като средно аритметично:
Ако връзката > 2, тогава средната разлика се определя като средна логаритмична:
Нека определим средната температурна разлика.
В зависимост от процеса, протичащ в апарата, приемаме стойностите на коефициента на топлопреминаване K [1]. В топлообменника топлината се прехвърля от една органична течност към друга, следователно приемаме стойността на коефициента на топлопреминаване, равна на 200 W / (m 2 ∙ О С).
Сега, знаейки средната температурна разлика в топлообменника, коефициента на топлопреминаване, ние определяме стойността на площта на топлообменната повърхност (F):
Определената стойност на повърхността е теоретична. На практика съществуват редица стандартни топлообменници с определени площи на топлообмен и други параметри. Избираме от каталога със стандартни топлообменници [1] най-близкия по-голям топлообменник. Това е кожухотръбен топлообменник със следните параметри и техните стойности:
- топлообменна повърхност - F = 444 m 2;
- дължина на тръбата - L = 6 m;
– диаметър на корпуса – Dк = 1 m;
- външен диаметър на тръбите - dн = 0,02 m;
– брой ходове – z = 1;
- вътрешен диаметър на тръбите - din = 0,016 m;
- брой тръби - n = 1178.
Сега е необходимо да се изчисли уточнената стойност на коефициента на топлопреминаване (Ku). Необходимо е, за да проверим допълнително дали избраният от каталога топлообменник е подходящ за нас. Уточнената стойност на коефициента на топлопреминаване може да се определи по формулата:
btr и bmtr - коефициенти на топлопреминаване съответно за тръбното и пръстеновидното пространство на топлообменника;
Y е сумата от факторите на замърсяване в зависимост от околната среда (референтна стойност [1]).
Коефициенти на топлопроводимост btr и bmtrопределя се в зависимост от начина на протичане. Режимът на шофиране се определя от критерия на Рейнолдс (Rei):
където: wi е скоростта на i-тия поток;
di е диаметърът на i-тото сечение;
ci е плътността на i-тия поток (от референтни материали [1]);
mi е вискозитетът на i-тия поток.
Дебитът се определя по формулата:
където: Vi е обемният поток на i-тия поток,
Ssec_ i е площта на напречното сечение на тръбата или пръстеновидното пространство за съответния поток.
За пространството на тръбата и пръстена площта на напречното сечение се определя по формули (9) и (10):
Ssec tr \u003d ∙ n, m 2, (9)
Ssec tr \u003d - ∙ n, m 2, (10)
Ssec tr \u003d ∙ 1178 \u003d 0,2367 m 2,
Ssec tr \u003d - ∙ 1178 \u003d 0,4151 m 2.
Обемният дебит на i-тия поток се определя по следната формула:
За горещ поток V1 = = 0,0352 m 3 / s,
и за студен поток V2 = = 0,0403 m 3 /s.
Вискозитетът на потока (mi) може да се определи чрез израза:
T е средната температура на потока, K,
VISB и VISTO са параметри за изчисляване на вискозитета (референтни данни [3]).
За горещ поток (ацетон): T=333.92K; VISB=367.25; VISTO=209.68. За горещ поток (дивинил): T=303K; VISB=300.59; VISTO = 163.12.
Нека да определим вискозитета съответно на горещи и студени потоци:
Нека определим дебитите съответно за топло и студено: