Расчет теплообменного аппарата

В случае пленочной конденсации движущегося пара касательное напряжение на поверхности раздела фаз, обусловленное межфазным трением и переносом импульса частицами сконденсировавшегося пара, которые присоединяются к пленке конденсата, вызывает при нисходящем потоке пара увеличение скорости и уменьшение толщины пленки, в результате чего коэффициент теплоотдачи увеличивается. При более высоких скоростях парового потока воздействие его на пленку конденсата может приводить не только к изменению ее скорости и толщины, но и к возмущению течения (образование волн, турбулизация), интенсифицирующему теплоперенос в пленке. Если поток пара направлен вверх, движение ламинарной пленки конденсата тормозится, толщина ее увеличивается и коэффицент теплоотдачи уменьшается по мере возрастания скорости пара до тех пор, пока действие межфазного трения не вызовет т. наз. обращенное (направленное вверх) течение пленки конденсата.

При конденсации движущегося пара внутри трубы (канала) режимы течения и характер взаимодействия паровой и жидкой фаз могут значительно изменяться в результате изменения по мере образования конденсата скорости пара, касательного напряжения трения на межфазной поверхности и Re_пл. При больших скоростях пара (когда действие силы тяжести на пленку конденсата пренебрежимо мало и течение ее определяется в основной силой трения) местные и средние по длине трубы коэффицент теплоотдачи не зависят от пространственной ориентации трубы. Если силы тяжести и трения соизмеримы, условия конденсация определяются углом наклона трубы и взаимным направлением движения фаз. В случае конденсация внутри горизонтальной трубы и малой скорости пара кольцевая пленка конденсата образуется только на верхней части внутренней поверхности трубы. На нижней части возникает "ручей", в зоне которого в результате относительно большой толщины слоя жидкости теплоотдача значительно менее интенсивна, чем на остальном участке поверхности.

В случае конденсации на пучке горизонтальных труб расход стекающего конденсата увеличивается сверху вниз вследствие натекания конденсата с вышележащих труб на нижележащие, а расход пара по пути его движения снижается. В пучке с постоянным или относительно немного уменьшающимся по высоте живым сечением между трубами скорость нисходящего потока пара постепенно снижается, а конденсат натекает с верхних труб на нижние. Вначале это приводит к уменьшению местных коэффициента теплоотдачи (осредненных по периметру труб) при увеличении отсчитываемого сверху номера горизонтального ряда труб. Однако, начиная с некоторого ряда, в результате натекания конденсата течение пленки возмущается и ее термическое сопротивление снижается. Благодаря этому коэффициенты теплоотдачи могут стабилизироваться, а при возрастающем воздействии возмущения течения пленки на нижних трубках - увеличиваться с возрастанием номера ряда.

Интенсификация теплоотдачи  при пленочной конденсации может достигаться профилированием ее поверхности (например, применением так называемой мелковолнистой поверхности), которое способствует уменьшению средней толщины пленки конденсата, созданием на поверхности искусств, шероховатости, приводящей к турбулизации пленки, воздействием на нее при диэлектрической жидкой фазе (напр., при конденсация хладонов) электростатическим полем, отсосом конденсата через пористую поверхность. При конденсации паров жидких металлов теплопроводность жидкой фазы весьма высока. Поэтому доля термические сопротивления пленки конденсата в суммарном сопротивлении передаче тепла незначительна, и определяющим оказывается межфазное термическое сопротивление, обусловленное молекулярно-кинетическими. эффектами на границе раздела фаз. Иногда пленочная конденсация на поверхности сопровождается гомогенная конденсация в прилегающем к поверхности раздела фаз слое пара. Если образование тумана при этом нежелательно (напр., в производстве H₂SO₄ нитрозным способом или при улавливании летучих растворителей), процесс проводят при максимальном пересыщении пара ниже П_кр.

При капельной  конденсация первичные мелкие капли, образовавшиеся на сухой вертикальной или наклонной поверхности, растут в результате продолжения процесса, слияния близко расположенных и касающихся друг друга капель и подтягивания к ним возникающей между каплями и быстро разрывающейся тонкой пленки конденсата. Капли, достигшие "отрывного" диаметра, стекают вниз, объединяясь (коалесцируя) с нижележащими мелкими каплями, после чего на освободившейся поверхности опять образуются мелкие капли, и цикл повторяется. Условия, определяющие самопроизвольное возникновение капельной конденсации, наблюдаются редко. Обычно же для осуществления капельной конденсации на твердую поверхность наносят тонкий слой лиофобизатора - вещества, обладающего низким поверхностным натяжением и не смачиваемого конденсатом (напр., жиры, воски). В случае капельной конденсация коэффициент теплоотдачи намного выше (в 5-10 раз и более), чем при пленочной. Однако поддержание в условиях эксплуатации промышленных аппаратов устойчивой капельной конденсация затруднительно. Поэтому конденсационные. устройства хим. промышленности, как правило, работают в режиме пленочной конденсация

Конденсация пара на поверхности жидкости того же вещества происходит в технологических аппаратах на поверхности подаваемых в объем пара диспергированных (напр., с помощью распылит, форсунок) струй или стекающих по насадке тонких пленок жидкости. Диспергирование или распределение жидкости на тонкие пленки позволяет сильно развить поверхность контакта фаз. В ряде случаев конденсация наблюдается при поступлении пара в объем жидкости в виде струй или пузырьков (барботаж), а также при образовании паровых пузырьков в объеме жидкости, например при кавитации.

Конденсация пара из смеси его с неконденсирующимися газами (или неконденсирующимися при данной температуре парами) на поверхности твердого тела или жидкости менее интенсивна по сравнению с конденсация чистого пара. Поскольку при конденсация из парогазовой смеси температура и парциальное давление (концентрация) пара в ее основной массе выше, чем на твердой поверхности, в прилегающем к последней слое смеси (при движении смеси - в пограничном слое) происходит совместный тепло- и массообмена. Если пар неподвижен, даже незначительного. содержание в нем газа приводит к резкому снижению интенсивности конденсация По мере увеличения скорости (числа Re_см) парогазовой смеси влияние газа на интенсивность процесса постепенно ослабляется.[7, 96]

При конденсации  паров из многокомпонентных смесей (паровых или парогазовых) в газовой фазе также происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом эффективный коэффицент теплопроводности смеси и эффективные коэффицент диффузии ее отдельных компонентов определяются природой и концентрациями др. компонентов. В случае гомогенной смеси конденсатов на поверхности твердого тела происходит только пленочная конденсация, в случае гетерогенной - смешанная. Например,  при конденсации бинарной смеси водяного пара и орг. вещества на твердой поверхности образуется жидкая пленка этого вещества, покрывающаяся каплями влаги.

Десублимация. В данном процессе конденсированная (твердая) фаза не может стекать с поверхности твердого тела, толщина ее слоя непрерывно возрастает. Поэтому процесс нестационарный и скорость его постепенно снижается. При проведении конденсация в глубоком вакууме (средняя длина свободного пробега молекул соизмерима с характерным размером аппарата), например, при разделении паровых или очистке парогазовых смесей необходимо учитывать изменения механизма и закономерностей тепло- и массопереноса. Это приводит к изменению условий конденсация чистых паров и паров, содержащих примеси неконденсирующихся газов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Расчетная часть

 

2.1 Технологическая  схема

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 - Технологическая схема спирального теплообменника в эксплуатации

 

 

Едкий натр, с помощью  центробежного насоса Н, подается в  спиральный теплообменник ТС, где охлаждается за счет нагревания охлаждающей воды и затем самотеком поступает в приемную емкость ПЕ.

Вода, выйдя из теплообменника, сбрасывается в канализацию или используется в качестве оборотной.

 

 

2.2 Технологический  расчет

 

 

Рассчитать  спиральный теплообменник для конденсации  паров NH_3,P=10,8 Мпа, G=400кг/ч, Т₁=60 ºС, Т₂=20 ºС, t₁=15 ºС

Средняя разность температур.

Определение тепловой нагрузки и конечной температуры конденсата.

Тепловая нагрузка при удельной теплоемкости раствора c=3860 Дж/кг составляет:

 

Q=  (1)

 

где g –удельная тепловая нагрузка ,кВт;

      c -удельная теплоемкость ,Дж/кг.К;

     Т₁ -начальная температура теплоносителя,°С;

     Т₂ -конечная температура теплоносителя ,°С.

 

Q

.

 

60 ® 20

25 ¬ 15

 

t_max = 35 t_min = 5

 

При  удельной  теплоемкости конденсата  c=3860 Дж/кг находим его конечную температуру t₂ из выражения : 18657

Откуда t₂=25 ºС

Определение температурного напора и средних температур теплоносителей. Средний температурный напор  равен:

 

60 ® 35

80 ¬ 20

t_max = 20      t_min = 15

Средняя температура  раствора:

 

 t_ср = ºС, (2)

 

                                         t_ср= ºС . 

 

  Средняя температура конденсата:

 

T_ср= t_ср+Q ºС,                                       (3)

 

где: Q-тепловая нагрузка,°С. 

 

 Т_ср=30+5=35 ºС.

 

Определение сечений  каналов. Принимаем массовую скорость конденсата W₁/1500кг/м²∙с, тогда необходимое сечение

 

S₁    м²,                                    (4)

 

где: G-массовый расход теплоносителя ,м²

 

S₁

м².

 

Пологая ширину канала b=6мм, находим ширину спирали:

 

B м,                                          (5)

 

B=

м.

 

Приняв рабочую  ширину спирали B=0,58м, определяем сечение:

 

S₁₌ B·b м²,                                     (6) 

 

где: b-пологая ширина канала, м

 

S₁₌0,58·0,006=0,0035 м²

 

И массовую скорость

 

W₁ кг/м²с,                                (7)

 

W₁

 

Для раствора принимаем  такую же ширину канала, тогда массовая скорость раствора

 

W₂ кг/м²с,                        (8)

 

W₂

 

Определение  коэффициента теплопередачи. Эквивалентный диаметр канала:

 

d экв.=   м,                     (9)

 

где: S- сечение каналов,м

       B-ширина спирали ,м

 

d экв.= 2·0,006=0,012 м.

 

Находим критерий  Re и Pr  для конденсата:

 

 

Re=    ,                             (10)

 

где: dээk- эквивалентный диаметр каналов, м;

       ʎ- удельная теплопроводность  теплоносителя;

       W₁- массовая скорость,кг/м².

 

Re

 

Pr=   ,                                  (11)

 

где: µ-вязкость теплоносителя,Па.С

 

Pr=-

 

Коэффициент теплоотдачи определяем по формуле: 

 

Nu=0,023·Re^0,8 ·Pr^0,4  ,                                  (12)

 

Nu=0,023·1025,81^0,8∙2,33^0,4=17,59.

 

lg 1025,81^0,8=0,8·lg1025,81=0,8·3,01=2,408.

 
antilg 2,3073=202,9.

 

lg 0,23^0,4= 0,4·lg 0,23=0,4*0,3674=0,1469.

 

antlg 0,1469=1,355

откуда

α₁= ,                                       (13)

 

где: α₁-коэффициент теплоотдачи,Вт/м²

 

α₁

².

 

Находим критерии  Re и Pr для раствора:

 

Rе   ,                              (14)

 

где: Re-критерий Рейнольдса

 

Re

 

   ,                                    (15)

 

где: Pr-критерий Прандля

 

Pr

  .

 

Nu= 0,023·625^0,8·4,77^0,4= 2194,2.

 

lg·625^0,8= 0,8·2,7958=2,23664.

 

antlg 2,23664=0,3495.

 

lg 4,77^0,4=0,4 lg 4,77=0,4·0,6785=0,2714.

 

antlg 0,2714=1,920.

 

Отсюда  критерии для раствора равны:Re=446, Pr=4,77, Nu=6,02

 

 ,                                      (16)

 

где: Nu-критерий ;

 

α ₂₌

²  .

25

При толщине  стенки δ=15 мм и тепловых сопротивлениях загрязнений r загр=0,00027 м²·К/Вт( со стороны раствора), коэффициент теплопередачи составляет:

 

k ,                               (17)