Поверочный расчёт пластинчатого теплообменника

Задача 37

В пластинчатом теплообменнике производится подогрев 10 т/ч бензола от 20 °C до 70 °C. В качестве теплагента используется насыщенный водяной пар, подаваемый под избыточным давлением 1 кгс/см². Атмосферное давление 750 мм рт. ст. Тепловыми потерями пренебречь. Пластинчатый теплообменник собран из 28 платин площадью 0,2 м² каждая. Хладагент движется по двухпакетной схеме. Выполнить поверочный расчёт теплообменника и определить коэффициент запаса теплообменника по поверхности теплопередачи.

Решение

Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация).

Хладагент – жидкий бензол (нагрев).

Абсолютное давление насыщенного водяного пара:

.

Температура и удельная теплота конденсации насыщенного водяного пара: ,  [2, c. 7].

Рис. 20. Профиль температур в пластинчатом подогревателе

Бóльшее и меньшее значение движущей силы в теплообменнике (рис. 20):

,

.

Среднее логарифмическое значение движущей силы:

.

Среднее значение температуры хладагента:

среднее арифметическое ,

среднее интегральное .

Массовый расход хладагента: .

Теплоёмкость хладагента при средней арифметической температуре:

 [2, с. 18].

Расход тепловой энергии на нагрев хладагента:

.

При отсутствии тепловых потерь: .

Массовый расход теплагента (насыщенного водяного пара):

.

Физические свойства парового конденсата при температуре :

плотность  [2, с. 4],

вязкость  [2, с. 4],

теплопроводность  [2, с. 4].

Физические свойства халадагента при :

плотность  [2, с. 14],

вязкость  [2, с. 15],

теплоёмкость  [2, с. 18],

теплопроводность  [2, с. 19].

Характеристики пластинчатого теплообменника [4, с. 63, табл. 2.13, 2.14]:

площадь поверхности теплопередачи A _ТО = 5 м²,

тип пластин f = 0,2 м²,

число пластин N = 28,

масса теплообменника m _ТО = 650 кг,

длина пластины l = 960 мм,

ширина платины b = 460 мм,

толщина пластины δ = 1 мм,

эквивалентный диаметр канала d _э = 8,8 мм,

поперечное сечение канала s _К = 17,8·10^-4 м²,

приведённая длина канала L _К = 0,518 м,

число пакетов для хладагента k = 2 (по условию задачи).

Плотность теплового потока: .

Критерий Рейнольдса для стекающей плёнки конденсата:

.

Коэффициент теплоотдачи от теплагента к стенке (конденсации пара на вертикальных поверхностях):

.

Число каналов в пакете для хладагента: .

Площадь сечения потока хладагента:

.

Объёмный расход хладагента: .

Скорость потока хладагента: .

Критерий (число) Рейнольдса хладагента:

.

Для пластинчатого теплообменника турбулентный режим соответствует Re > 50.

Критерий (число) Прандтля хладагента:

.

Коэффициенты критериального уравнения для пластинчатого теплообменника с пластинами f = 0,2 м² [4, с. 52]:

a = 0,065, b = 0,73, c = 0,43.

Критерий (число) Нуссельта для хладагента [4, с. 52, ф-ла 2.21]:

.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к хладагенту:

.

Загрязнения поверхности стенки [1, с. 531, табл. XXXI]:

со стороны теплагента (насыщенный пар)

со стороны хладагента (органическая жидкость) .

Теплопроводность стальной стенки трубок теплообменника:

для неагрессивных жидкостей берём углеродистую сталь ,

для агрессивных жидкостей (органические кислоты, нитробензол) берём нержавеющую сталь .

Коэффициент теплопередачи для плоской стенки:

.

Расчётная площадь поверхности теплопередачи:

.

Запас по поверхности теплопередачи:

.

Отрицательный запас показывает, что площадь поверхности теплопередачи теплообменника недостаточна, и следует выбрать теплообменник с большей площадью. Запас должен составлять не менее 5 %, что является «страховкой» от возможных погрешностей расчёта.