Решение Теплагент насыщенный водяной пар (конденсация)

В пластинчатом теплообменнике производится подогрев 10 т/ч бензола от 20 °C до 70 °C. В качестве теплагента используется насыщенный водяной пар, подаваемый под избыточным давлением 1 кгс/см². Атмосферное давление 750 мм рт. ст. Тепловыми потерями пренебречь. Пластинчатый теплообменник собран из 28 платин площадью 0,2 м² каждая. Хладагент движется по двухпакетной схеме. Выполнить поверочный расчёт теплообменника и определить коэффициент запаса теплообменника по поверхности теплопередачи.
Решение
Теплагент – насыщенный водяной пар (конденсация).
Хладагент – жидкий бензол (нагрев).
Абсолютное давление насыщенного водяного пара:
.
Температура и удельная теплота конденсации насыщенного водяного пара: , [2, c. 7].

Рис. 20. Профиль температур в пластинчатом подогревателе
Бóльшее и меньшее значение движущей силы в теплообменнике (рис. 20):
,
.
Среднее логарифмическое значение движущей силы:
.
Среднее значение температуры хладагента:
среднее арифметическое ,
среднее интегральное .
Массовый расход хладагента: .
Теплоёмкость хладагента при средней арифметической температуре:
[2, с. 18].
Расход тепловой энергии на нагрев хладагента:
.
При отсутствии тепловых потерь: .
Массовый расход теплагента (насыщенного водяного пара):
.
Физические свойства парового конденсата при температуре :
плотность [2, с. 4],
вязкость [2, с. 4],
теплопроводность [2, с. 4].
Физические свойства халадагента при :
плотность [2, с. 14],
вязкость [2, с. 15],
теплоёмкость [2, с. 18],
теплопроводность [2, с. 19].
Характеристики пластинчатого теплообменника [4, с. 63, табл. 2.13, 2.14]:
площадь поверхности теплопередачи A_ТО = 5 м²,
тип пластин f = 0,2 м²,
число пластин N = 28,
масса теплообменника m_ТО = 650 кг,
длина пластины l = 960 мм,
ширина платины b = 460 мм,
толщина пластины δ = 1 мм,
эквивалентный диаметр канала d_э = 8,8 мм,
поперечное сечение канала s_К = 17,8·10^-4 м²,
приведённая длина канала L_К = 0,518 м,
число пакетов для хладагента k = 2 (по условию задачи).
Плотность теплового потока: .
Критерий Рейнольдса для стекающей плёнки конденсата:
.
Коэффициент теплоотдачи от теплагента к стенке (конденсации пара на вертикальных поверхностях):
.
Число каналов в пакете для хладагента: .
Площадь сечения потока хладагента:
.
Объёмный расход хладагента: .
Скорость потока хладагента: .
Критерий (число) Рейнольдса хладагента:
.
Для пластинчатого теплообменника турбулентный режим соответствует Re > 50.
Критерий (число) Прандтля хладагента:
.
Коэффициенты критериального уравнения для пластинчатого теплообменника с пластинами f = 0,2 м² [4, с. 52]:
a = 0,065, b = 0,73, c = 0,43.
Критерий (число) Нуссельта для хладагента [4, с. 52, ф-ла 2.21]:
.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к хладагенту:
.
Загрязнения поверхности стенки [1, с. 531, табл. XXXI]:
со стороны теплагента (насыщенный пар)
со стороны хладагента (органическая жидкость) .
Теплопроводность стальной стенки трубок теплообменника:
для неагрессивных жидкостей берём углеродистую сталь ,
для агрессивных жидкостей (органические кислоты, нитробензол) берём нержавеющую сталь .
Коэффициент теплопередачи для плоской стенки:

.
Расчётная площадь поверхности теплопередачи:
.
Запас по поверхности теплопередачи:
.
Отрицательный запас показывает, что площадь поверхности теплопередачи теплообменника недостаточна, и следует выбрать теплообменник с большей площадью. Запас должен составлять не менее 5 %, что является «страховкой» от возможных погрешностей расчёта.