Послідовність розрахунку теплообмінного апарата

Теплові розрахунки теплообмінних апаратів можуть бути конструктивними (коли визначається площа робочої поверхні теплообмінного апарата) або перевірочними (коли для існуючого або лише спроектованого апарата розрахунковим шляхом перевіряється температура теплоносіїв на виході з апарата). Нижче розглядаються лише питання пов’язані з конструктивним розрахунком.

Головними рівняннями, що описують роботу теплообмінних апаратів є рівняння теплопередачі:

та рівняння теплового балансу

, Вт

де –теплота передана від теплоносія, що нагріває, Вт;

– теплота прийнята теплоносієм, що нагрівається, Вт;

DQ – теплові втрати в оточуюче середовище, Вт;

k – коефіцієнт теплопередачі від одного теплоносія до другого через стінку теплообмінника, Вт/(м²×К);

Dt – середньологаріфмічний перепад температур між теплоносіями при їх русі в теплообмінному апараті, °С;

F – площа робочої поверхні теплообмінного апарата, м²;

G ₁, G ₂ – витрата теплоносія, що нагріває, і теплоносія, що нагрівається, кг/с;

с ₁, с ₂ – теплоємності теплоносіїв, Дж/(кг·K);

– вхідна і вихідна температури теплоносія, що нагріває, °С;

– вхідна і вихідна температури теплоносія, що нагрівається,°С.

Середньологаріфмічний перепад температур між теплоносіями при їх русі в теплообмінному апараті (протиточна схема) визначаються наступним чином:

.

Значення коефіцієнта теплопередачі визначаємо наступним чином, використовуємо спрощену формулу (як для плоскої стінки, що допустимо при малій різниці між внутрішніми і зовнішніми діаметрами трубок).

, Вт/(м²·K),

де d – товщина матеріалу трубок, м

l_м – коефіцієнт теплопровідності матеріалу трубок Вт/(м×К);

a ₁, a ₂ – коефіцієнти тепловіддачі від теплоносія, що нагріває до внутрішньої (або зовнішньої) поверхні трубки і від зовнішньої (або внутрішньої) поверхні трубки до теплоносія, що нагрівається, Вт/(м²·K).

При русі теплоносія в трубці приблизне значення коефіцієнта тепловіддачі знаходимо наступним чином. За допомогою відповідного критеріального рівняння обчислюємо відповідне значення критерія Нусельта: , а далі знаходимо шукану величину

де Re_fd – критерій Рейнольдса, визначається як ;

Pr – критерій Прандтля, він є характеристикою теплофізичних властивостей рідини, його значення для кожної рідини в залежності від її температури знаходять в відповідних довідниках [2];

l – теплопровідність рідини при її температурі, знаходять в відповідних довідниках [2], Вт/(м×К);

n –кінематична в’язкість рідини при її температурі, знаходять в відповідних довідниках [2], м²/с;

d – характерний геометричний розмір, для теплоносія, що рухається в трубці він дорівнює внутрішньому діаметру трубки, м.

При поперечному обтіканні теплоносієм трубок теплообмінного апарата

приблизне значення коефіцієнта тепловіддачі знаходимо таким же чином. При Re_fd>1^.10³ значення критерія Нусельта обчислюється як або для повітря, враховуючи його теплофізичні властивості далі як і в попередньому випадку знаходимо значення коефіцієнта тепловіддачі.

Таким чином для того, щоб при заданих температурах входу і виходу теплоносіїв і їх витратах знайти необхідну площу робочої поверхні теплообмінного апарата треба:

– якщо не задана температура виходу одного з теплоносіїв то її знаходять з рівняння теплового баланса;

– розрахувати середньологаріфмічний температурний перепад між теплоносіями;

– визначити коефіцієнти тепловіддачі при русі теплоносіїв;

– обчислити значення коефіцієнта теплопередачі;

– знайти площу робочої поверхні теплообмінного апарата з рівняння теплопередачі.

Завдання по розрахунку необхідної площі поверхні теплообмінного апарата

Визначити площу робочої поверхні газорідинного теплообмінного апарату і температуру рідини, що нагрівається, на виході з нього для наступних вихідних даних: витрата газу (повітря) V м³/год, температура входу до теплообмінного апарату t₁^’ °С, температура виходу з теплообмінного апарату t₁^’’ °С; витрата рідини (вода) G кг/год, температура входу до теплообмінного апарату t₂^’ °С. Схема руху теплоносіїв протиток. Чисельні значення вихідних даних для кожного з варіантів представлені в Таблиці 3. Для кожного з варіантів прийняти коефіцієнт тепловіддачі від повітря до поверхні розділу 50 Вт/(м²×К); коефіцієнт тепловіддачі від поверхні розділу до рідини 5000 Вт/(м²×К). Товщина поверхні розділу 3 мм, теплопровідність матеріалу поверхні розділу 50 Вт/(м×К).

№ вар.	V, м^3/год	G, кг/год	t1^’, °С	t1^’’, °С	t2^’, °С

Таблиця 3 – Вихідні дані для розрахунку площі робочої поверхні теплообмінних апаратів

4. РОЗРАХУНОК СКЛАДУ ПРОДУКТІВ КИСНЕВОЇ КОНВЕРСІЇ ПРИРОДНОГО ГАЗУ І ТЕМПЕРАТУРИ ПРОЦЕСУ

Послідовність розрахунку кисневої конверсії природного газу

Конверсія це перетворення, яке виникає з вуглеводним газоподібним паливом під дією температури в присутності окислювача (повітря, кисень, пар, вуглецевий газ та їх суміші) з метою отримання газу з заданими властивостями.

Нижче розглянемо лише методику розрахунку рівновісного складу продуктів кисневої конверсії метану. Цей процес можна описати наступним хімічним рівнянням:

,

де k – коефіцієнт, що задає питому витрату кисню на одиницю метану;

a, b, c, d – кількість відповідних компонентів в продуктах конверсії.

Для визначення рівновісного складу продуктів конверсії необхідно скласти балансові рівняння для вуглецю, кисню і водню:

баланс по вуглецю: ;

баланс по кисню:

баланс по водню: .

Для того, щоб визначити склад продуктів конверсії (тобто визначити чотири невідомих величини) трьох розглянутих рівнянь замало. Необхідно ввести ще одне рівняння. Для цього використаємо вираз константи рівноваги реакції водяного газа: .

Маючи чотири шуканих змінних і чотири рівняння, знаходимо значення змінних (a, b, c, d). Це дає змогу обчислити об’єм продуктів конверсії і їх склад, %:

Значення константи рівноваги реакції водяного газу знаходимо в залежності від температури в термодинамічних довідниках [3] або розраховуємо за наступною формулою:

Коли температура процесу конверсії відома перед початком розрахунку задача вирішується досить просто, але в більшості випадків її значення також є шуканою величиною. В цьому випадку розрахунок виконується наступним чином:

1. Довільно обираємо значення температури процесу конверсії:

2. За допомогою цього значення знаходимо константу рівноваги реакції водяного газа і склад продуктів конверсії за викладеною вище методикою;

3. Будуємо тепловий баланс процесу конверсії ,

де Q_k – теплота, що виділяється в процесі конверсії, кДж/м³ (тепловий баланс будуємо для випадку конверсії 1 м³ метану). Теплота конверсії метану визначається за наступною формулою , кДж/м³. На основі теплового балансу знаходимо значення температури конверсії: , де с_ПК^tk – теплоємність продуктів конверсії при температурі конверсії (підставляємо задане раніше значення). Вона визначається наступним чином ;

4. Порівнюємо визначене за формулою і задане значення температури процесу конверсії. Якщо різниця менше 5 °С розрахунок вважаємо завершеним. Якщо вона більша, приймаємо визначене за формулою значення температури як вихідне і повертаємося до другого кроку розрахунку.

Завдання по розрахунку складу продуктів кисневої конверсії природного газу і температури процесу

Визначити склад продуктів кисневої конверсії природного газу (припускаємо, що він на 100 % складається з метану) і температуру процесу для випадку, коли коефіцієнт витрати кисню дорівнює k. Варіанти значення коефіцієнта витрати кисню наведено в таблиці 4.

№ вар.
k	0.55	0.6	0.7	0.75	0.8	0.65	0.7	0.65	0.8	0.75	0.6	0.56	0.57	0.58	0.6

Таблиця 4 – Значення коефіцієнтів витрати кисню

5 РОЗРАХУНОК СКЛАДУ ЛЕТКИХ ПРИ ТЕРМІЧНІЙ ОБРОБЦІ ТВЕРДОГО ОРГАНІЧНОГО ПАЛИВА

Послідовність розрахунку складу летких при термічній обробці твердого органічного палива

Першим кроком вирішення задач такого типу є приведення складу органічного палива до робочого стану. Цей розрахунок виконується наступним

чином:

– визначаємо значення коефіцієнта перерахунку з сухого на робочий склад палива ;

– визначаємо вміст золової складової в робочому складі палива ;

– визначаємо значення коефіцієнта перерахунку з горючого на робочий склад палива ;

– визначаємо вміст інших компонентів в робочому складі палива

В якості летких газів при термічній переробці твердого палива при високих температурах процесу виділяються наступні гази: H₂S, CH₄, N₂, CO₂, H₂O. Їх вихід (м³/кг) можна обчислити за наступними формулами:

де k_s – коефіцієнт, що характеризує розподіл сірки між сполуками. Приймається рівним 0,1-0,5.

Склад летких обчислюємо, таким же чином як це було зроблено в задачі про конверсію метану при визначенні складу продуктів конверсії.

Сумарний вихід летких на один кілограм палива складає: .

Тоді осереднена об’ємна витрата газів складає (м³/с) ,

де G– маса твердого палива, що піддається обробці, кг

t – час обробки, год.

Завдання по розрахунку складу летких при термічній обробці твердого органічного палива

Визначити склад і осереднену об’ємну витрату летких газів при термічній обробці твердого палива, для якого задано чисельне значення вмісту всіх його складових (в %): С^г, Н^г, N^г, O^г, S^г, A^с, W^р. Відомо, що маса палива, що піддається переробці складає G кг, а час його переробки складає t год. Чисельні значення вихідних даних для кожного з варіантів представлені в Таблиці 5.

№ вар.	С^г, %	Н^г, %	N^г, %	O^г, %	S^г, %	A^с, %	W^р, %	G, кг	t, год
									14,5
									16,5
									13,8
									14,3
									15,8
									14,5
		5,2			0,8
		4,5			1,5
		4,5	1,5

Таблиця 5 – Вихідні дані для розрахунку складу летких

6 ВИЗНАЧЕННЯ МЕТУЛУРГІЙНОЇ ДОВЖИНИ МБЛЗ І МАКСИМАЛЬНО ПРИПУСТИМИХ ШВИДКОСТЕЙ РОЗЛИВКИ В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД ПАРАМЕТРІВ РОЗЛИВКИ ЗАГОТОВОК

Порядок розрахунку металургійної довжини МБЛЗ в залежності від параметрів розливки

Поняття про безперервне лиття заготовок розглядається в матеріалах відповідних лекцій. В них проаналізовані конструктивні особливості МБЛЗ різних типів, надано аналіз їх ефективності. В цьому ж посібнику увагу сфокусовано на вивченні динаміки затвердівання металу.

При затвердіванні металу взагалі просування фронту кристалізації можна приблизно описати за допомогою закону квадратного кореня . Його сутність полягає в тому, що він показує яка товщина шару металу (см) закристалізується за t хвилин від початку процесу кристалізації. Коефіцієнт затвердівання k (см×хв^-0,5) визначає темп просування фронту затвердівання і визначається умовами відведення тепла від фронту затвердівання.

Типові значення коефіцієнта затвердівання для різних типів розливки наведено нижче:

– затвердівання в виливниці.................................... 1,6 –1,9

– безперервна розливка в сляби................................... 2,2-2,7

– безперервна розливка в сортові заготовки............... 2,9-3,1.

Цей закон необхідно застосовувати при визначенні темпу просування фронту кристалізації від кожної з граней. При симетричному відведенні тепла від протилежних граней фронти кристалізації від них зустрічаються в геометричному центрі заготовки. При несиметричному охолодженні місце їх з’єднання зміщується в сторону грані з менш інтенсивним охолодженням.

Під металургійною довжиною МБЛЗ розуміють відстань відраховану уздовж повздовжньої осі МБЛЗ починаючи від меніску металу в кристалізаторі до ділянки на якій завершено кристалізацію по всьому перерізу заготовки. Тобто для заданих розміру грані заготовки і швидкості розливки (коефіцієнт затвердівання приймаємо в залежності від різновиду розливки) металургійна довжина визначається як , де а – розмір грані заготовки (см) (при розливці слябових заготовок під а розуміємо розмір вузької грані).

Годинна продуктивність струменя (т/год) складає для слябової заготовки , а для сортової заготовки , де b – ширина широкої грані слябової заготовки (см), r – відповідна густина твердого металу при кімнатній температурі, т/м³.

Час розливки плавки заданої маси (год) при заданій кількості відкритих струменей, припускаючи однакову продуктивність струменів визначається як .

Для відповіді на питання, що стосується визначення максимально припустимих щвидкостей розливки необхідно використати і прийняти ряд самостійних інженерних рішень виходячи з особливостей технології безперервної розливки сталі, викладених в лекційному матеріалі.

Завдання по визначенню металургійної довжини МБЛЗ і максимально припустимих швидкостей розливки

Визначити металургійну довжину МБЛЗ, годинну продуктивність струменя, час, потрібний для розливки всієї плавки для наступних заданих параметрів розливки сортових заготовок: ширина грані а мм, швидкість розливки v м/хв, маса плавки G т, кількість струменей, що працюють одночасно n. Також необхідно визначити максимально припустимі швидкості розливки для заданого набору розмірів заготовки (100х100, 120х120, 125х125, 130х130, 150х150 мм), якщо відстань від меніску металу в кристалізаторі до газорізки складає L м. Чисельні значення вихідних даних для кожного з варіантів представлені в таблиці 6.

Таблиця 6 – Вихідні дані для розрахунку параметрів роботи МБЛЗ

№ вар.	а, мм	v, м/хв	G, т	n	L, м
		1.5
		2.5
		1.8
		2.1
		2.3
		2.2
		1.5
		1.6
		1.3
		1.6
		1.3
		1.5
		1.9
		1.8

7 ПОБУДОВА МАТЕРІАЛЬНОГО ТА ТЕПЛОВОГО БАЛАНСІВ ПРОЦЕСУ ГАЗИФІКАЦІЇ

Матеріальний баланс

Розглянемо задачу побудови матеріального та теплового балансів процесу газифікації на прикладі повітряної газифікації коксового залишку вугілля. Інтегральну характеристику цього процесу можна надати за допомогою наступного хімічного рівняння: .

Будемо конструювати матеріальний баланс відносно 1 кг кокосового залишку вугілля. Припускаємо, що коксовий залишок складається лише з вуглецю і золи. Тоді один кілограм коксового залишку містить кг вуглецю і кг золи, де С^р, А^р– вміст вуглецю і золи в коксовому залишку, %.

Виходячи з записаного хімічного рівняння для газифікації 1 кг коксового залишку необхідно кисню м³, або повітря м³, де k – коефіцієнт збагачення повітря киснем (показує об’ємну частку кисню в повітрі), %. Звичайне повітря містить 21% кисню і 79 % азоту. При збагаченні доля кисню зростає.

В результаті газифікації отримуємо газ, що складається з моноокису вуглецю і азоту, що повністю перейшов у генераторний газ з повітря. В результаті газифікації 1 кг коксового остатку отримуємо м³ генераторного газу (перший доданок відповідає виходу моноокису вуглецю, другий азоту). При чому доля моноокису вуглецю складає , %, а доля азоту , %.

Вважаючи, що вся зола коксового залишку переходить в шлак, можна показати матеріальний баланс процесу газифікації наступним чином.

Приходна частина	Маса, кг	Розходна частина	Маса, кг
Косовий залишок Повітря	Vпов×rпов*	Газ Шлак	Vгаз×rгаз
Ітого		Ітого

*– густина простих речовин (газів) визначається як , де M– мольна маса речовини, кг/кмоль, а густина газових сумішей визначається як , де M₁, M₂,... M_n – молекулярні маси компонентів сумішей, кг/кмоль; c₁, c₂,... c_n – об’ємні долі відповідних компонентів в суміші, %.

В результаті підбиття суми приходної і розхідної частин балансу необхідно досвідчитись, що різниця між результатами не перевищує 1%, тоді результати розрахунків можна вважати вірними.

Тепловий баланс

Ідея теплового балансу полягає в тому, що кількість енергії, що надходить до будь-якої системи дорівнює кількості енергії, що використовується і розподіляється в цій системі.

Дата добавления: 2015-10-13