Расчет теплоообменника бензол-вода

При расчете тепловых балансов необходимо знать удельные величины теплоемкости, энтальпии (теплосодержание), теплоты фазовых или химических превращений.

Удельная теплоемкость - это количество тепла, необходимого для нагревания (или охлаждения) 1 кг вещества на 1 градус (дж/кг град). Теплоемкость характеризует способность тела аккумулировать тепло. Так как теплоемкость зависит от температуры, то различают истинную теплоемкость при данной температуре с и среднюю теплоемкость в некотором интервале температур

(1.1)

где Q - количество тепла, сообщаемого единице количества вещества при изменении температуры от . В практике тепловых расчетов, как правило, приходится пользоваться средними теплоемкостями.

Удельная энтальпия i (если все расчеты вести от 0 С) определяется количеством тепла, которое необходимо для нагревания 1 кг вещества от 0 С до данной температуры, энтальпия i измеряется в Дж/кг, в технической системе ккал/кг.

(1.2)

Удельная теплота фазовых или химических превращений r - это количество тепла, которое выделяется (или поглощается) при изменении агрегатного состояния или химическом превращении единицы массы вещества. Она измеряется Дж/кг, а в технической системе ккал/кг.

«Внутренний» метод составления теплового баланса (с использование величин теплоемкостей). В непрерывно действующем теплообменнике осуществляется теплообмен между двумя текучими средами, разделенными теплопередающей перегородкой.

Рис. 1

Если в процессе теплообменная не происходит добавочного выделения или поглощения теплоты в результате фазовых или химических превращений и нет тепловых потерь в окружающую среду, то количество тепла, переходящего от первой среды ко второй в единицу времени - тепловой поток, или тепловая нагрузка, - равно:

(1.3)

Если процесс теплообмена происходит, в первой среде, фазовые или химические превращения (испарения жидкости, конденсация пара, плавление, химические реакции, и т.п.), то уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

(1.4)

«Внешний» метод составления теплового баланса (с использованием величин удельных энтальпий). Тепловой баланс составляется исходя из того, что количество тепла Q1, поступающего в аппарат за 1 час с входящими средами, равно количеству тепла, уходящего со средами из аппарата за то же время,

(1.5)

где - энтальпии веществ, соответственно входящих в аппарат и выходящих из него.

В отличие от внутреннего метода составления теплового баланса, где рассматривается перераспределение тепла между теплообменивающимися средами в самом аппарате, в данном методе тепловой баланс составляется как бы по внешним показателям: до аппарата и после аппарат.

Из уравнения (1.5) можно определить количество тепла Q, переданного от одной среды к другой, как разность энтальпий

(1.6)

При наличии фазовых или химических превращений в теплообменнике количество тепла, переданного от одной среды к другой,

(1.7)

где - энтальпия продуктов превращения при температуре выхода из аппарата .

Кинетика теплопередачи. Различают три вида (механизма) теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Передача тепла теплопроводностью. Под теплопроводностью понимают переход тепловой энергии в среде без массовых ее движений относительно направления теплоперехода. Здесь тепло передается как энергия упругих колебаний атомов и молекул около их среднего положения. Эта энергия переходит к соседним атомам и молекулам в направлении ее уменьшения, т.е. уменьшения температуры.

Закон Фурье. Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье, согласно которому количество тепла , проходящее за время через поверхность dF, нормальную к направлению теплоперехода, равно:

(1.8)

где - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоппроводности или теплопроводностью; - градиент температуры, т.е. изменение температуры на единицу длины в направлении теплопередачи.

Коэффициент теплопроводности. Он определяет скорость передачи тепла, т.е. количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу поверхности тела при длине его в направлении теплопередачи, равной единице и разности температур 1 град. Наибольшее значение имеют металлы - от нескольких десятков до нескольких сотен вт/(м град). Значительно меньшие коэффициенты теплопроводности имеют твердые тела - не металлы. Теплопроводность жидкостей меньше теплопроводности большинства твердых тел. Для них колеблется в пределах десятых долей вт/(м град). Коэффициенты теплопроводности еще меньше.

Передача тепла теплопроводностью через стенку. Количество передаваемого тепла за 1 час через плоскую стену можно подсчитать по уравнению Фурье как количество тепла, проходящего через плоскость бесконечно малой толщины dx внутри стенки:

(1.9)

Проинтегрировав изменение температуры по всей толщине стенки получим

(1.10)

Из интегрального выражения видно, что температура t внутри плоской стенки падает по толщине стенки в направлении теплоперехода по закону прямой линии.

Рис. 2

Передача тепла конвекцией. Конвекционная теплопередача - это перенос тепла объемами среды путем взаимного их перемещения в направлении теплопередачи.

Переход тепла от среды к стенке или от стенки к среде называется теплоотдачей. Количество передаваемого тепла определяется законом Ньютона:

(1.11)

где - коэффициент теплоотдачи .

Коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении среды. Среда, имеющая турбулентный характер движения и температуру t1 в основном ядре потока, протекая вдоль стенки с температурой передает ей свое тепло (Рис. 2). У стенки всегда существует тонкий пограничный слой, где имеет место ламинарное течение. В этом ламинарном слое сосредоточено основное сопротивление передачи тепла. Согласно закону Фурье:

(1.12)

Сравнивая уравнения (1.11) и (1.12), видим, что

(1.13)

Величину называют толщиной приведенного слоя. Величина зависит от следующих основных факторов:

физических свойств текучей среды: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности

гидравлических условий омывания жидкостью или газом тепловоспринимающей (или теплоотдающей) поверхности: скорости и направления текучей среды относительно этой поверхности

пространственных условий, ограничивающих поток: диаметр, длина, форма и шероховатость поверхности.

Таким образом коэффициент теплоотдачи является функцией многих величин:

.

Функциональная связь между критериями подобия, характеризующими теплоотдачу при турбулентном движении потока в прямых, гладких и длинных трубах, выведена методом анализа размерностей.

(1.14)

или коротко

(1.15)

где А, а и е - некоторые численные величины.

Безразмерные комплексы имею наименования:

- критерий Нуссельта, включающий в себя искомую величину коэффициента теплоотдачи (Нуссельт впервые применил теорию подобия для решения вопросов теплообмена);

- критерий Рейнольдса, определяющий гидравлическую характеристику потока:

- критерий Прандтля, характеризующий физические свойства среды.

Определение А, а и е производится на основе экспериментальных исследований.

Коэффициент теплоотдачи. Наиболее часто в химической технологии встречается передача тепла от одной текучей среды к другой через разделяющую их стенку. Передача тепла от одной среды к другой складывается из трех стадий, и для установившегося процесса тепловой поток в направлении теплоперехода остается постоянным.

Тепловой поток от первой среды к стенке

(1.16)

через стенку

(1.17)

от стенки ко второй среде

(1.18)

Совместное решение уравнений (1.16, 1.17, 1.18) дает:

(1.19)

В уравнении (1.19) величина

(1.20)

называется коэффициентом теплопередачи. В системе СИ имеет размерность .

Средняя разность температур. В основу расчетов требуемой поверхности теплообмена F для передачи заданного тепловым балансом количества тепла в единицу времени Q положено уравнение (2.19). В подавляющем большинстве случаев температуры сред в процессе теплопередачи будут изменяться в результате происходящего теплообмена, а следовательно, будет изменяться и разность температур вдоль поверхности теплообмена. Поэтому рассчитывают среднюю разность температур по длине аппарата , но так как это изменение не линейно то рассчитываю логарифмическую разность температур.

;(1.21)

Это доказано математическими выкладками. При противотоке всегда требуется меньшая теплопередающая поверхность, чем при прямотоке, для передачи равного количества тепла в одинаковых условиях начальных и конечных температур сред. В случае смешивания тока в одном ходу теплообменника среды движется противотоком, а в другом прямотоком.

В этих случаях среднюю разность температур определяют из соотношения

(1.22)

где - средняя логарифмическая разность температур при противотоке; - поправочный коэффициент, который всегда меньше единицы.

Часто используемые теплообменники

Кожухотрубные теплообменники. Кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным аппаратом в следствии компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок концы которых закреплены в двух трубных досках (решетках). Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища), что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцера. В целях предупреждения смешения сред трубки закрепляются в решетах чаще всего развальцовкой, сваркой или реже для предупреждения термических напряжений с помощью сальников.

Преимущества проведения процессов теплообмена по принципу противотока, что обычно и выполняется в кожухотрубных теплообменных аппаратах. При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую на встречу ей, или наоборот. Выбор, какую среду направить в межтрубное пространство и какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий:

среду с наименьшим значением следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, а следовательно, и для увеличения ее коэффициента теплоотдачи;

внутреннюю поверхность трубок легче чистить от загрязнений, поэтому теплоноситель, который может загрязнять теплопередающую поверхность, следует направлять в трубки;

среду под высоким давлением целесообразно направлять в трубки, опасность разрыва которых меньше по сравнению с кожухом;

среду с очень высокой или наоборот с низкой температурой лучше подавать в трубки для уменьшения потерь тепла в окружающую среду.

Работу кожухотрубных теплообменников можно интенсифицировать, применяя трубы малого диаметра. Необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра труб увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника.

Наиболее простой путь обеспечения высоких скоростей состоит в устройстве многоходовых теплообменников. Число ходов в трубном пространстве может доходить до 8 - 12. При этом часто не удается сохранить принцип противотока. Наличие смешанного тока буден несколько снижать движущую силу процесса теплопередачи, что соответственно снизит эффективность работы. С помощью перегородок увеличивается скорость движения той среды, у которой меньше значение коэффициента теплоотдачи. Следует иметь в виду, что в длинных, особенно в многоходовых, теплообменниках уменьшается смешение поступающей среды со всем ее количеством, находящемся в аппарате, и этим предупреждается возможное дополнительное уменьшение средней разности температур.

В кожухотрубных теплообменниках при большой разности температур между средами возникают значительные термические напряжения, особенно в момент пуска или остановки аппарата, вызванные различным удлинением трубок и кожуха под воздействием различных температур. Во избежание возникновения таких напряжений используются следующие меры:

Установка в корпусе аппарата линзового компрессора.

Установка в теплообменнике только одной трубной решетки, в которой закреплены трубки U - образной формы.

Устройство теплообменников с «плавающей головкой».

Закрепление трубок в одной из трубных решеток с помощью сальников.

Сальниковое соединение трубной решетки с кожухом.

Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменники этого типа смонтированы из труб, каждая из которых окружена трубой несколько большего диаметра. Одна среда течет по внутренней трубе, другая - по кольцевому каналу. Внутренние трубы соединены последовательно «калачами», а наружные - патрубками. При необходимости получить большую поверхность теплопередачи возможно не только последовательное, но и параллельное и комбинированное соединение таких секций с помощью коллекторов. В теплообменнике типа «труба в трубе» соответствующим подбором диаметров труб для обеих теплообменивающих сред можно назначить любую скорость, а следовательно получить соответственно высокие значения величин . Недостатком таких теплообменников является большой расход металла на единицу, тепло передающей поверхности вследствие затрат на бесполезные для теплообмена внешние трубы, что приводит к значительному увеличению стоимости аппарата. Этот недостаток становится менее ощутимым, если внешние трубы изготовлены из обычной углеродистой стали, а внутренние - из дорогостоящего материала в условиях агрессивных сред. Теплообменники типа «труба в трубе» особенно широко применяются тогда, когда среды подаются под высоким давлением (десятков и сотен атмосфер).

Теплоотдача от конденсирующегося пара. Одним из наиболее часто применяемых в химической промышленности методов нагревания является обогрев конденсирующимся водяным паром. Достоинства такого обогрева следующие:

Пар обладает большим теплосодержанием, обусловленным теплотой конденсации.

Есть возможность применения мятого пара после турбин, который еще не потерял свою теплоту конденсации.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара имеет большую величину.

Конденсирующийся пар обеспечивает равномерность и точность обогрева, легко регулируемого изменением давления.

Также на величину коэффициента теплоотдачи влияют в различной степени следующие факторы:

изменение величин и H (турбулентный режим стекания пленки);

изменение скорости движения пара и его направления;

изменение расположения теплопередающей поверхности (при горизонтальном расположении условия теплообмена ухудшаются);

изменение состояния поверхности и характера конденсации;

влияние перегрева пара;

влияние примесей конденсирующихся газов.

Расчетная часть