теплоты и расход воды. Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (бензол + толуол), индекс «2» - для холодного теплоносителя (вода).
Предварительно найдем среднюю температуру воды:
t2 = 0,5 (10 + 25) = 17,5 С;
среднюю температуру смеси бензол-толуол:
= 31 + 17,5 = 48,5 С; (3.1)
где - средняя разность температур, равная при потоке теплоносителей 31 С.
+80,5 25 С;
+25 10 С;
;
= 31 С; (3.2)
Без учета потерь тепла расход теплоты:
Вт; (3.3)
расход воды аналогично (3.3) выразив через расход:
кг/с; (3.4)
где =1927 Дж/(кг К) и =4190 Дж/(кг К) - удельные теплоемкости смеси и воды при их средних температурах =48,5 С и =17,5 С [1, рис. XI и таб. XXXIX].
Объемные расходы смеси и воды:
(3.5)
(3.6)
где и - плотность смеси берем как для чистого бензола, так как содержание толуола не велико и изменение плотности очень не значительное [1, таб. IV] и воды [1, таб. XXXIX].
3.2. Наметим варианты теплообменных аппаратов.
Для этого определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая Кор = 500 по [1, таб. 4.8], т. е. Приняв его таким же, как и при теплообмене от жидкости к жидкости для воды:
; (3.7)
Из величины = 23 следует, что проектируемый теплообменник может быть много ходовым. Поэтому для правильности расчета нужно сделать поправку для многоходовых теплообменников.
В аппаратах с противоточным движением теплоносителей при прочих равных условиях больше чем в случае прямотока. При сложном взаимном движении теплоносителей принимает промежуточные значения, которые учитывают, вводя поправку к средне логарифмической разности температур для противотока.
; (3.8)
где ; ;
; ;
; ; ;
;
Рассчитаем коэффициент по формуле (3.8)
;
= С; (3.9)
Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Смесь бензол-толуол направим в трубное пространство, так как это активная среда, воду - в межтрубное пространство.
В теплообменных трубах 25*2 мм холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость течения смеси при Re 2 > 10000 должна быть более
(3.10)
где - вязкость смеси при 48,5 С; [1, с. 556].
Число труб, обеспечивающих такой режим, должно быть:
; (3.11)
т.е. число труб n < 44,9 на один ход.
Выберем варианты теплообменников [2, таб. 2.3]:
1. Теплообменник «кожухотрубный» D = 600; d = 25*2; z=6; n/z = 32,7;
SВ.П. = 0,037 ; F = 61 ; L = 4 м; SВ.П. = 0,011 .
2. Теплообменник «кожухотрубный» D = 600; d = 25*2; z=4; n/z = 51,5; SВ.П. = 0,04 ; F = 65 ; L = 4 м; SВ.П. = 0,018 .
Вариант 1. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79)
1.1 Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более
1.2 Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 3.1).
а) В трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для смеси бензол-толуол.
Бензол-толуол Вода
Рис. 3.1 (к первому варианту расчета)
; (3.12)
;
; (3.13)
;
где =0,14 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].
Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентного течения смеси:
; (3.14)
где примем равному 1, и соотношение =1 с дальнейшей поправкой.
Коэффициент теплоотдачи смеси бензол-толуол к стенке:
; (3.15)
б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве.
; (3.16)
Критерий Рейнольдса для воды:
; (3.17)
где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;
Критерий Прандтля для воды при +17,5 С:
; (3.18)
где =0,59 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].
Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000.
; (3.19)
где - плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.
;
Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]
; (3.20)
примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 17,5 С и температуре стенки соответственно по формуле (3.20).
;
Коэффициент теплоотдачи для воды:
; (3.21)
Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI]:
; (3.22)
;
Коэффициент теплопередачи:
; (3.23)
Поверхностная плотность потока:
; (3.24)
1.3 Определим ориентировочно значения и , исходя из того, что
; (3.25)
где сумма .
Найдем: С; (3.26)
С; (3.27)
С; (3.28)
Проверка: сумма ;
12,3 + 4,3 + 8,5 = 25,1 С;
Отсюда
С; (3.29)
С; (3.30)
Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив .Критерий Прандтля для смеси бензол-толуол при С;
; (3.31)
где [1, с.262]; [1, с.556]; [1, с.561].
Коэффициент теплоотдачи для смеси:
(3.32)
Коэффициент теплоотдачи для воды:
(3.33)
где [1, таб. XXXIX];
Исправленные значения К, q, и (3.23):
;
; (3.34)
С; (3.35)
С; (3.36)
(3.37)
(3.38)
Дальнейшее уточнение , и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 5%.
1.4. Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
; (3.39)
запас
Вариант 2. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79)
2.1. Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более
2.2. Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 3.2).
а) В трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для смеси бензол-толуол. Рассчитаем Рейнольдс по формуле (3.12)
Бензол-толуол Вода
Рис. 3.2 (ко второму варианту расчета)
;
Критерий Прандтля (3.13).
;
где =0,14 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].
Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000.
где - плотность воды при 48,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности смеси при 25 и 80,5 С; =0,00045 Па с [1, с.556] - динамический коэффициент вязкости смеси при 48,5 С.
;
Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]
примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость смеси бензол-толуол при 48,5 С и температуре стенки соответственно. Рассчитаем по формуле (3.20).
;
Коэффициент теплоотдачи для смеси бензол-толуол (3.15):
;
б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве (3.16).
;
Критерий Рейнольдса для воды (3.17):
;
где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;
Критерий Прандтля для воды при +17,5 С (3.18):
;
где =0,59 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].
Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000 (3.19).
;
где - плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.
;
Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]
примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 17,5 С и температуре стенки соответственно (3.20).
;
Коэффициент теплоотдачи для воды (3.21):
;
Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI] (3.22):
;
Коэффициент теплопередачи (3.23):
;
Поверхностная плотность потока (3.24):
;