Выбор оптимального теплообменника

   Стоимость теплообменника рассчитывается по формуле  [7]: 

                                                                                      (18)

   Для определения фактической стоимости  теплообменника рассчитанная стоимость  умножается на фактор удорожания, который  зависит от давления в теплообменнике и на инсталляционный фактор [7]: 

                                                                                          (19) 

   Давление  насыщенных паров компонентов для  смеси вычисляется по закону Рауля [3, с. 548]: 

                                                                                                          (20)

   где Р_i – давление насыщенных паров i-компонента, МПа. 

   Мольная доля рассчитывается по формуле [4, с. 233]: 

                                                                                                                (21)

   где  N_i – количество молей в смеси, кмоль;

          N_общ – общее количество молей в смеси, кмоль. 

                                                                                                                   (22)

   где М – молекулярная масса [4, с. 232], г/моль.

       

   Давление  индивидуальных компонентов рассчитывается по уравнению Антуанна [5, с. 173]: 

                                                                                                     (23)

   где А,В,С – справочные данные для нахождения давления насыщенных паров i-компонента;

         Т – максимальная температура потока, К. 

   Инсталляционный фактор показывает, во сколько раз  дороже цены завода-изготовителя, будут  затраты на покупку, установку и  пуск в работу единицы оборудования. Инсталляционный фактор можно определить с помощью ряда подфакторов по формуле [7]: 

                                      (24) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   3 Определение площади поверхности теплообмена 

   Определяются массовые доли компонентов горячего потока:

                                                                                                  (25) 

 

   Теплоемкость  потоков вычисляется по формуле (4), Дж/(кг·°С): 

  

   По  формуле (2) определяется тепловая нагрузка на аппарат, кВт:  

                                                                      

        

   Из  формулы (2), можно найти массовый расход горячего потока, кг/ч: 

           

                                                       

   Схема теплообмена для рекуперации  тепла представлена на рисунке 1. 

                                                t_н1         G₁

   

                                                                                                                  

                                  t_к2                                                               G₂       t_н2

                                                                                                     

                                                                                                                         t_к1

   

                                                                                                                                                                                                               

   Рисунок 1 – Схема теплообмена для рекуперации  тепла 

   Теплообмен  может осуществляться при прямоточном, противоточном и смешанном движении теплоносителей. Температурная схема  потоков в теплообменнике при  прямоточном движении показана на рисунке 2. 

                                              t, ºС                                 t, ºС 

                                         80,00

                                       

                                                                                        55,00

                                                                            50,00                             

                                                                                                                       

                                        10,00

   

   Рисунок 2 – Температурная схема потоков  при прямотоке 

   Рассчитываются  большая и меньшая разность температур, ºС: 

> 2, значит, среднюю разность  температур следует определять по формуле (6), ºС:

     

   Температурная схема потоков при противоточном  движении показана на рисунке 3. 
 
 

                                               t, ºС                                     t, ºС 

                                            80,00                              

                                                                              55,00

                                         50,00

                                           

                                                                                          10,00 

   

   Рисунок 3 – Температурная схема потоков  при противотоке 

   Определяются  разности температур, ºС: 

< 2, средняя разность температур  определяется по формуле (8), ºС:

   

    

   При смешанном  токе среднюю разность температур можно  определить, вводя поправку ε_∆tcp ≤ 1 к разности температур для противотока, которую можно рассчитать по формуле [1, c. 67]: 

                                                        (10)

где ;

      ;

      ;

      . 

   Согласно  вышеуказанной формуле, рассчитывается поправка: 

 

   Рассчитывается средняя разность температур для смешанного тока: 

 

   Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи 200 Вт/(м²·К).

   Далее по формуле (1) рассчитываются поверхности  теплообменников для разных типов теплообмена: 

   Для прямотока, м²: 

 

   Для противотока, м²: 

 

   Для смешанного тока, м²: 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   4  Расчет параметров теплообменников для прямотока

 

   

   Исходя  из определенной предварительно площади  поверхности теплообмена для  расчета принимается теплообменник  кожухотрубчатый одноходовой с площадью поверхности 510 м².

Характеристики  выбранного теплообменника [1, c. 91]:

- диаметр  кожуха – 1200 мм;

- число  труб – 1083 шт.;

- длина  труб – 6,0 м;

- диаметр  труб: d_н = 0,025 м;

                           d_вн = 0,021м;

- проходные  сечения: S_тр = 0,375 м²;

                                    S_м.тр = 0,164 м²

   Проводится  расчет параметров для выбранного теплообменника при подаче горячего потока в трубное  пространство.

Для определения  секундного расхода жидкости необходимо рассчитать плотность потоков. Плотность  смеси веществ находится по формуле, кг/м³:

                                                                                                    (26)

где ρ₁, ρ₂ – плотность компонентов смеси, кг/м³.

  

По формуле (8) определяется секундный расход жидкости, м³/с: 

  

По формуле (9) рассчитывается скорость движения жидкости в трубном и межтрубном пространстве, м/с: 

Для расчета  критерия Рейнольдса нужно знать вязкость потоков. Вязкость смеси определяется по формуле [1, c. 20]: 

                                                                                       (27)

где х₁^/, х₂^/ – мольные доли компонентов;

      μ₁, μ₂ – вязкость компонентов смеси, сП. 

Вязкость компонентов  можно найти по формуле: 

                                                                                                (28)

где VISB, VISTO – параметры уравнений для расчета вязкости;

       Т – температура, К. 

Параметры уравнений для расчета вязкости компонентов горячего и холодного  потоков занесены в таблицу 2 [6, c 534-560]. 

    Таблица  2 – Параметры уравнений для  расчета вязкости