ТЕПЛООБМІННІ АПАРАТИ. Теоретичні положення і приклад розрахунку реактора

ТЕПЛООБМІННІ АПАРАТИ.

Теоретичні положення і приклад розрахунку реактора.

 

Рівняння теплового балансу реактора:

,                       (2.15)

де – витрати гріючої пари, кг/с;  – ентальпія відповідно пари і конденсату, кДж/кг;– коефіцієнт корисного використання пари; G – витрати суміші, що нагрівається, кг/с, с_с – питома теплоємність суміші, кДж/кг К.

Середня різниця температур, ºС:

,                                            (2.16)

де ;  – температура конденсації; .

Середня температура суміші, ⁰С:

                                           (2.17)

В’язкість суміші, Па∙с:

                                       ,                                         (2.18)

де  – динамічна в’язкість компонентів  суміші.

Питома теплоємність, кДж/(кг ∙ К):

,                                    (2.19)

де  –  питома теплоємність компонентів.

Теплопровідність суміші, Вт/(м∙К):

,                                    (2.20)

де  – коефіцієнти теплопровідності компонентів суміші.

Густина суміші, кг/м³ :

,                                     (2.21)

де  - густина компонентів.

Критеріальне рівняння теплообміну за умови перемішуванні якірною мішалкою:

,                       (2.22)

де

;

;

 – в’язкість середовища за  температури стінки реактора; – діаметр мішалки реактора.

Коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²∙К) :

.                                             (2.23)

Критеріальні рівняння теплообміну під час конденсації пари на вертикальних стінках:   якщо   

                                                             ,                              (2.24)

де  – критерій Галілея,

;

– висота теплопередавальної поверхні, м;  – кінематична в’язкість плівки конденсату, м²/с; К- критерій фазового перетворення,

;

 - прихована теплота пароутворення, кДж/кг; С – питома теплоємність плівки конденсату, кДж/(кг∙К);  – перепад температур:

;

 - температура плівки конденсату:

;

при :

,                          (2.25)

Коефіцієнт тепловіддачі під час конденсації, Вт/(м²∙К):

,                                  (2.26)

де  – коефіцієнт теплопровідності конденсату , Вт/(м К).

Потужність теплового потоку під час теплопередачі, Вт:

,                                 (2.27)

де  – коефіцієнт корисного використання поверхні теплопередачі,  = 0,7…0,3.

Потужність, споживана якірною мішалкою на перемішування, Вт:

                                       (2.28)

де  – коефіцієнт потужності, що залежить від критерію , визначається з графо-аналітичної залежності  [ ].

Розрахункова потужність перемішувального пристрою в реакторі, Вт:

,                                       (2.29)

де – коефіцієнт, що залежить від наявності внутрішніх пристроїв в апараті ( – поправочний коефіцієнт на шорсткість, ;  – коефіцієнт, що враховує наявність в апараті гільзи термометра, ). [ ].

 

Приклад. Розрахувати емальований хімічний ректор з якірною мішалкою для нагрівання суміші, що містить 70% 70%-ой  і 30% 30%-ой  від  = 20ºС до  = 85ºС. Нагрівання відбувається за рахунок теплоти, переданої від насиченої водяної пари тиском 0,2 МПа. Час перебування суміші в реакторі год. Витрата суміші, що нагрівається, G = 0,171 кг/с. Частота обертання якірної мішалки  об/с.

Теплофізичні властивості суміші за (2.18) – (2.21)

 Па∙с;

 кДж/(кг∙К);

 Вт/(м∙К);

 кг/м³.

Місткість реактора:

 м³,

де  – коефіцієнт використання об’єму k = 0,1.

Потужність теплового потоку для нагрівання суміші з (2.15):

 кВт.

Витрати пари, що гріє, за (2.15):

 кг/с.

Середня різниця температур за (2.16):

 ºС.

Середня температура суміші, за якою вибрані теплофізичні властивості, за (2.17)                                               =120-62 = 58 ºС.

Якщо висота шару рідини в апараті дорівнює внутрішньому діаметру реактора, останній визначається так:

 = 0,83 м.

Вибираємо нормалізований діаметр м. При цьому діаметр якірної мішалки  = 0,87.

Критерій Рейнольдса:

= 242400.

Критерій Прандтля:

= 25,3.

Якщо середня температура стінки  ºС, в’язкість суміші біля стінки  = 2.804∙0.7+1,18∙0,3=2,32 Па∙с.

Критерій Нуссельта по (2.22):

 = 4332.

Коефіцієнт тепловіддачі за (2.23):

 Вт/(м²∙К).

Температура плівки конденсату за умови  = 0,52,

                                       ºС.

Перепад температур:

 ºС.

Теплофізичні параметри конденсату:

 м²/с; ;  кДж/кг;

С = 4.225 кДж/(кг∙К);  Вт/(м∙К).

Добуток:

.

Критерій Нуссельта за (2.25):

.

Коефіцієнт тепловіддачі за (2.26) при  м:

 Вт/(м²∙К).

Коефіцієнт теплопередачі за (2.11):

 Вт/(м²∙К).

Перевіряємо співвідношення:

= 0,53.

Площа теплообміну за (2.27):

= 0,66 м².

Діаметр теплообмінника:

 м.

Отже, обраний нормалізований реактор діаметром  забезпечить умови теплообміну.

Потужність, споживана якірною мішалкою на перемішування, за (2.28), = 0,33:

 Вт.

Розрахункова потужність двигуна перемішувального пристрою, за (2.29):

 Вт.

Вибираємо привід з кінцевою опорою, мотором-редуктором типу МП102 і електродвигуном серії А02 потужністю 0,5 кВт.