Учебно-методический комплекс дисциплины «Основные процессы и аппараты химико-технологических производств» (стр. 6 )

где  Q -  тепловая нагрузка аппарата  в кВт;

  с – средняя удельная  теплоёмкость, кДж / кг· град;

  t1 - начальная температура нагреваемой среды (продукта), 0С; 

  t2 - конечная температура нагреваемой среды (продукта), 0С.

Эта же тепловая нагрузка должна быть передана  от греющего пара  к движущемуся продукту в трубках согласно основному  уравнению теплопередачи:

Q = K· F · ?t ;  (2)

где  K – коэффициент теплопередачи, Вт / м2·град

  F – площадь поверхности теплопередачи, представляющая собой  суммарную боковую площадь трубок в греющей камере, м2;

  ?t – средняя логарифмическая разность температур между греющим парам и  нагреваемым продуктом (жидкая или газообразная среда), 0С.

3.3. Имеем уравнение теплового баланса:

Q = Gc · c · (t2 – t1) = K· F · ?t ;  (3)

из которого определяем  площадь поверхности  теплопередачи:

  ;  (4)

Зная величину F, рассчитывают  число  трубок в аппарате (n) и затем  определяют все габаритные размеры теплообменника. 

Из уравнения теплового баланса (8) рассчитывают  также массовый расход греющего пара (D) в кг/с:

  ;  (5)

где  i||  - энтальпия греющего пара в кДж/ кг; 

i| - энтальпия конденсата в кДж/кг.

Величины  i||,  i|  определяют по таблицам свойств насыщенного водяного пара в зависимости от его давления (р) в МПа (ат).

Вопросы для самопроверки.

1. Особенности теплопередачи в технологической аппаратуре. Задачи, решающие при тепловой обработке продуктов. Признаки, по которым осуществляется классификация теплообменных аппаратов.

2. Что такое общий тепловой поток? Что такое теплоотдача и теплопередача? Как эти величины определяют тепловой поток?

3. Физический смысл и размерность коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и теплопроводности. Термическое сопротивление и связь его с коэффициентом теплоотдачи и теплопередачи.

4. Как осуществляется передача тепла через плоскую стенку, как распределяется общий температурный напор и как графически изображается распределение температурного напора по участкам теплообмена, по фиктивным слоям системы и по термическим сопротивлениям?

5. Определение количества передаваемого тепла для непрерывного и периодического процесса теплообмена. Закон, по которому изменяются температурные напоры, и коэффициенты теплопередачи во времени и по поверхности.

6. Напишите общий вид уравнения для теплового потока, для теплообменников любых типов и для всех видов протекающих в них процессов теплообмена, а также для частных случаев при постоянстве теплового потока во времени и при постоянном коэффициенте теплопередачи по всей поверхности нагрева.

7. Определение среднего температурного нагрева и графическое изображение среднеарифметических температур, и их разности при прямотоке, противотоке, при конденсации пара и кипении жидкости.

8.. Какие имеются теплопотери, их величина? Как учитываются теплопотери? Какой вид имеют уравнения теплообмена при нагревании и охлаждении жидких или газообразных тел, при испарении жидкости и при конденсации паров?

9. Общая классификация основных случаев теплообмена. Какие основные критерии являются определяющими при конвективном теплообмене, при свободном и вынужденном движении, при конденсации?

10. Как определяется коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции без изменения агрегатного состояния вещества. К какому расчётному виду приводится критериальное уравнение? Докажите такое преобразование.

11. Какие критериальные уравнения процесса теплоотдачи применяются для случая вынужденного движения в трубах и каналах без изменения агрегатного состояния вещества? Что характеризует входящие в уравнение критерии и какой вид придаётся расчетным формулам для турбулентного режима движения? Приведите способ преобразования критериальных уравнений в расчетные.

12. Критериальные уравнения, применяемые для теплоотдачи при изменении агрегатного состояния вещества/конденсации греющего пара/ и расчетный вид, к которому они приводятся для случая конденсации на вертикальных и горизонтальных поверхностях труб.

13. Критериальные уравнения, применяемые для определения коэффициента теплоотдачи при свободном парообразовании и при кипении в трубах. К какой расчетной формуле приводятся критериальные уравнения.

14. Определение общего коэффициента теплоотдачи при известных коэффициентах теплоотдачи и наличии данных о толщине и теплопроводности слоёв плоской твёрдой перегородки. Какие при этом учитываются термические сопротивления?

15. Как влияют на величину общего термического сопротивления соотношения коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и слой накипи?

16. По каким признакам осуществляется классификация теплообменников. Дайте сравнительную оценку теплообменным аппаратам различных типов и конструкций.

17. Дайте сравнительную оценку типичным случаям дайте сравнительную оценку типичным случаям теплообмена в различных теплообменниках с точки зрения эффективности теплообмена.

18. Каким требованием должны удовлетворять теплообменные аппараты. Какие соображения должны быть положены в основу при выборе теплообменников? Методы повышения интенсивности теплообмена в теплообменных аппаратах и их технико-экономическая оценка.

Рекомендуемая  литература.

1. , , и др.  Процессы и аппараты пищевых производств. М., «Агропромиздат», 1985г.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия»,1971г.

Лекция 7.  Тепловые процессы  Нагревание. Порядок проектного расчёта трубчатого теплообменника

План лекции:

1. Последовательность проектного расчёта.

2. Основы расчётов.

1.Последовательность проектного расчёта.

Проектный расчёт включает в себя следующие частные расчёты:

Гидродинамический расчёт.

1.2. Геометрический расчёт.

1.3. Тепловой расчёт.

1.4. Конструктивный расчёт.

1.5  Изоляционный расчёт.

1.6. Расчёт теплопотерь

1.7  Расчёт  вспомогательного оборудования.

1.8. Экономический расчёт.

3. Основы расчётов.

3.1. Гидродинамический расчёт Целью гидродинамического  расчёта является определение оптимальной скорости движения жидкой (газовой) среды в трубках.

По технологическим данным  выбирают минимальную скорость движения жидкого продукта (wmin) в м/с в зависимости  от вида  среды. Определяют режим движения  продукта по величине критерия (числа) Рейнольдса (Re).

;  (1)

где  wmin - минимальную скорость движения жидкого продукта;

d -  внутренний диаметр трубки, м;

? -  кинематический коэффициент вязкости нагреваемой жидкости при средней температуре, м2 /с.

Определив значение числа  Рейнольдса, тем самым, выяснив режим движения, рассчитываем оптимальную скорость движения

- для турбулентного режима:

;  (2)

- для ламинарного режима:

;  (3)

где А – коэффициент  физических параметров жидкости, влияющих на теплоотдачу. Определяют по эмпирическим формулам в зависимости от режима (см. .литературу []).

  В – коэффициент экономических и температурных параметров. Определяют при любом режиме движения жидкости по эмпирической формуле. (см. .литературу []).

При расчёте значений А  выбирают из таблиц или вычисляют значения критерия Прандтля (Pr):

  ;  (4)

где  ?  -  динамический  коэффициент вязкости при средней температуре жидкости, Па·с;

  ? - коэффициент теплопроводности жидкости при средней температуре;

Вт/м· град.

  Х – сумма коэффициентов гидравлических  сопротивлений.

;  (5)

где  ?*  - коэффициент гидравлического трения, определяемый в зависимости от режима.

  Lo  -  общая длина движения жидкости  в трубках, м;

  ?? -  сумма коэффициентов местных сопротивлений..

Затем окончательно рассчитывают значение оптимальной скорости движения жидкого продукта в трубках по формуле (2) или (3). Далее переходят к геометрическому расчёту.

3.2. Геометрический расчёт. Целью последнего является определение  точного количества трубок в одном ходу.

Определяем объёмную секундную производительность теплообменника (Vc)  м3/с, на основе массовой часовой производительности, заданной в исходных данных – G (т/ч).

  ;  (6)

С другой стороны, согласно уравнению неразрывности

  Vc =  wo· Fc = wo· (?d 2 / 4) · nx ;  (7)

где  Fc  - площадь поперечного сечения трубок одного хода., м2.

  nx – число трубок в одном ходу, которое определяем, зная  величину  Vc

  ;  (8).

3.3.Тепловой расчёт. Целью данного расчёта является определение поверхности теплопередачи F в м2  по  формулам (6) – (10)  и точного (фактического) числа ходов в теплообменнике.- zф.

При определении  площади  теплопередачи F рассчитывают коэффициент теплопередачи К:

;  (9)

где  ?1 – коэффициент теплоотдачи  от греющего пара к наружной поверхности  трубок, Вт /м2·град;

  ?2 -  коэффициент теплоотдачи  от внутренней поверхности трубок к нагреваемой жидкости, Вт /м2·град;

  ?ст -  коэффициент теплопроводности стенки трубки, Вт /м · град;