Определение коэффициентов нагрева и теплоотдачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В. Г. ШУХОВА

КАФЕДРА НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине: Процессы и аппараты химической технологии

Выполнил: Белозорова Оксана Дмитриевна

Студент 3 курса 1 группы

Института дистанционного образования

Белгород, 2016



Задача 1

Найти температуру внутренней поверхности обмуровки аппарата, если температура на наружной поверхности ее t₃.Толщина обмуровки Температура обмуровки на глубине ₁ от наружной поверхности обмуровки t₂. Исходные данные приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Исходные данные к задаче 1

N п/п	, мм	1,мм	t2,°С	t3,°С
7	160	40	95	60

Решение:

Рассмотрим уравнение теплопроводности для установившегося теплового потока через однослойную плоскую стенку:

,

где q -- удельный тепловой поток;

-- коэффициент теплопроводности;

-- температуры горячей и холодной поверхности стенки.

Отсюда получаем, что

Тогда имеем:

Ответ: Температура внутренней поверхности обмуровки аппарата.

Задача 2

Газ под избыточным давлением Р_изб. проходит по межтрубному пространству кожухотрубного теплообменника параллельно трубам со скоростью х. Средняя температура газа t. Теплообменник состоит из 40 стальных труб диаметром 18 Ч 2 мм, заключенных в кожух, внутренний диаметр которого 200 мм. Определить коэффициент теплоотдачи, исходные данные приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Исходные данные к задаче 2

N п/п	Газ	Ризб., ат.	t, °С	х, м/с
7	СН4	4.0	80	6.5

Решение:

Так как наш рассматриваемый газ (метан) протекает при избыточном давлении, то рассчитаем рабочее давление протекание газа:

P_раб=P_бар + P_изб = 101325+4·101325= 506625 Па

С учетом изменения давления и средней температуры изменится и исходное значение плотности для метана и рассчитывается откорректированное значение по следующей формуле:

кг/м³

Определим массовый расход метана:

G=

где n -- количество труб;

d -- наружный диаметр трубы;

х-- скорость движения метана по трубам;

-- плотность метана.

Тогда G = 0,785·40·0,0004·6,5·2,78 = 0,227 кг/с

Определяем режим течения метана:

,

где м -- динамический коэффициент вязкости метана (м=11,2 ·10^-6 Па·с при T = 300 K).

Тогда

Так как число Рейнольдса больше 10 000, то имеем турбулентный поток и расчетная формула для многоатомного газа (метана) имеет следующий вид:

Nu=0,021·е_l·Re^0,8и так как по условию не указана длина труб, то пренебрегаем значением поправочного коэффициента и получим следующее выражение:

Nu= 0,021·Re^0,8 = 0,021·(32267)^0,8 = 84,96

Также Nu = бd/л,

где б -- искомая величина коэффициента теплоотдачи;

л -- коэффициент теплопроводности газа.

0,25·(9)· = 0,25·(9C_p - 5C_v)м = (2,25 C_p - 1,25 C_v)м = 3,24·10^-2Вт/м·К

Тогда б = Nuл/d = 84,96·3,24·10^-2/2·10^-2 = 137,64 ? 138

Ответ: коэффициент теплоотдачиб =138.

Задача 3

Воздух с температурой t и относительной влажностью ц охлаждается в трубчатом противоточном теплообменнике до точки росы. Охлаждающая вода нагревается от 15 до 25°С. Определить расход охлаждаемого воздуха, если поверхность теплообменника S, а коэффициент теплопередачи К. Исходные данные приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

N п/п	t,°С	ц, %	S,м2	К, Вт/(м2· К)
7	60	10	13	47

Решение:

Количество теплоты в трубчатом противоточном теплообменнике определяется по формуле:

где - коэффициент теплопередачи

К=47 Вт/(м²-К).

- поверхность теплообменника 13 м²,

- средняя температура процесса. Составляется температура схема процесса, при параметрах t = 60°С и = 0,1точки росы по рис. 10.1 t_p = 18 °C (по графику Рамзина определяем точку с параметрами t = 60°С и = 0,1 и опускаемся вертикально вниз до линии =100% и получаем значениеt_p = 20 °C)

60 18

25 15

Дt_м = 18-15=3С

С

С.

Q = 47·13·13 = 7943Вт

Определяем расход воздуха:

кг/ч

Ответ: Расход охлаждаемого воздухаL = 681 кг/ч

Задача 4

Определить производительность вытяжного вентилятора для сушилки, построенной в городе N (для летних условия), в которой из высушиваемого материала удаляется W влаги. Отходящие газы имеют следующие параметры: температуру t₂и относительную влажность ц₂. Исходные данные приведены в таблице 4.4.



Таблица 4.4

Nп/п	Город	W, кг/ч	t2, °С	ц2, %
7	Новгород	110	45	60

Решение

Согласно таблице XLсредняя температура и влажность для летних условий следующая:

t₀ = 17,6 °C

ц₀ = 78 %

Удельный объем влажного воздуха определяем по следующей формуле:

где -- газовая постоянная для воздуха, равная 287 Дж/(кг·К);

T -- температура воздуха, К;

П -- общее давление паровоздушной смеси, Па (примем 750 мм рт.ст.=);

= p_п-- парциальное давление водяного пара, Па

На рис 10.1 определяем парциальное давление для параметров отходящих газов и получим p_п = 43 мм.рт.ст. = 5733 Па

Тогда

м³/кг

Производительность определяется по формуле:

V = ·L,

Где L -- расход сухого воздуха.

Определяем расход сухого воздуха по формуле:

L = W·l,

где l -- удельный расход сухого воздуха, кг/кг испаряемой влаги.

Удельный расход сухого воздуха определяем по следующей формуле:

где -- начальное и конечное влагосодержание воздуха.

Начальное и конечное влагосодержание воздуха определяем из диаграммы Рамзина

Для t₀ = 17,6 °C, ц₀ = 78 % получим x₀ = 0,005 кг/кг

Для t₂ = 45 °C, ц₂ = 60 % получим x₂ = 0,035 кг/кг

Тогда удельный расход сухого воздуха:

кг/кг

Исходя из этого, получим расход сухого воздуха:

L = W·l=110·33,3 = 3663 кг/ч

Тогда производительность:

V = 0,89·3663 = 3260 м³/ч

Ответ: производительность вытяжного вентилятора для сушилки

V = 3260 м³/ч.

Задача 5

Аппарат изолирован слоем изоляционной массы, имеющей коэффициент теплопроводности л. Температура наружной поверхности металлической стенки аппарата t₁. Найти достаточную толщину изоляционного слоя, чтобы температура его поверхности не превышала t₂ при температуре окружающего воздуха t_о. Исходные данные приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5

N п/п	л, Вт/(м · К)	t1 °С	t2. °С	to. °C
7	0.4	500	50	23

Решение:

Определим суммарный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией по уравнению:

теплоотдача метан давление температура

б = 9,74 + 0,07Дt,

где б -- суммарный коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием и конвекцией;

Дt -- разность температур поверхности аппарата и окружающего воздуха.

Тогда

б = 9,74 + 0,07Дt = 9,74 + 0,07·(50-23) = 11,63 Вт/(м²·K)

Удельный тепловой поток:

q = б·(t₂-t_o) = 11,63·(50-23) = 314 Вт/м²

Принимая приближенно, что все термическое сопротивление сосредоточено в слое изоляции, можно написать:

Откуда толщина слоя изоляции:

Ответ: достаточная толщина изоляционного слоя составляет

.

Задача 6

В теоретической сушилке производительностью G₁ высушивается материал от влажности U₁ до U₂. Показание психрометра на входе в калорифер t_o = 18°С и t_м= 15°С. Выходящий из сушилки воздух имеет температуру t₂ и влажность ц₂. Давление пара в калорифере Р = 2,5 ат, коэффициент теплопередачи К. Определить расход греющего пара и поверхность нагрева калорифера. Исходные данные приведены в таблице 4.6.



Таблица 4.6

N п/п	G1,Кг/ч	U1, %	U2. %	t2.°С	ц2. %	К, Вт/(м2· К)
7	750	34	7	40	80	36

Решение:

Определяем площадь поверхности нагрева калорифера по следующей формуле:

,

где Q -- общий расход теплоты;

K -- коэффициент теплопередачи;

-- средняя температура процесса.

40 33

18 15

Дt_м = 18-15=3С

Дt_Б = 40-18=22С

С.

Определяем количество испаряемой влаги по формуле:

,

где -- начальное и конечное влагосодержание воздуха

По показанию психрометра на входе в калорифер определим влажность:

Это значение определяется исходя из таблицы, приведенной ниже

Далее по диаграмме Рамзина определяем начальное и конечное влагосодержание воздуха:

Для t₀ = 18 °C, ц₀ = 73 % получим x₀ = 0,012кг/кг

Для t₂ = 40 °C, ц₂ = 80 % получим x₂ = 0,04кг/кг

Тогда количество испаряемой влаги:

Определяем количество испаренной при сушке влаги:

Тогда расход греющего пара:

L = l·W = 35,7·218 = 7783 кг/ч

Удельный расход теплоты вычисляем по формуле:

q = l (I₂-I₀),

гдеI₂иI₀ -- начальное и конечное значение энтальпии, которое определяем из диаграммы Рамзина и получим:

Для t₀ = 18 °C, ц₀ = 73 % получим I₀ = 45 кДж/кг

Для t₂ = 40 °C, ц₂ = 80 % получим I₂ = 150кДж/кг

Тогда

q = l (I₂-I₀) = 35,7·105 = 3748,5 кДж/кг

Вычислим общий расход теплоты по формуле:

Q = Wq = 218·3748,5/3600 = 227 кВт

Тогда площадь поверхности нагрева калорифера по следующей формуле:

м²

Задача 7

В теплообменник поступает насыщенный водяной пар при избыточном давлении Р в количестве D и нагревает в нем жидкость от t₁ до t₂. Найти поверхность теплообмена и расход жидкости, если коэффициент теплопередачи К. Исходные данные приведены в таблице 4.7.

N п/п	Жидкость	Ризб, ат	D. т/ч	t1°C	t2.oС	К, Вт/(м2· К)
7	Вода	7	35	70	160	1200

Решение

Определение средней разности температур в теплообменнике и средней температуры хлорбензола.

Абсолютное давление пара равно:

Этому давлению соответствует температура конденсации воды tконд = 169 °С, среднюю разность температур определяют как:

где ?t_б - большая разность температур;

?t_п- меньшая разность температур;

?t_ср - средняя разность температур.

Среднюю температуру воды рассчитываем как:

Удельная теплота парообразования технологического пара при Рабс = 8 атм равно r=2046.53Ч10³Дж/кг.

Тогда количество передаваемого тепла рассчитываем как:

Q = Dr = 9,72·2046,53·10³ = 19,89 МВт

Определение ориентировочной площади поверхности теплообменника:

Определим расход воды:

Задача 8

В теплообменник поступает насыщенный водянойпар при избыточном давлении Р и нагревает в нем жидкость в количестве G от температуры t₁ до t₂. Определить поверхность теплообмена и расход греющего пара, если коэффициент теплопередачи К. Исходные данные приведены в таблице 4.8.



Таблица 4.8

N п/п	Жидкость	Ризб, ат	D. т/ч	t1°C	t2.oС	К, Вт/(м2· К)
7	Хлорбензол	7	170	70	150	1200

Решение

Определение средней разности температур в теплообменнике и средней температуры хлорбензола.

Абсолютное давление пара равно:

Этому давлению соответствует температура конденсации хлорбензола tконд = 200 °С, среднюю разность температур определяют как:

где ?t_б - большая разность температур;

?t_п- меньшая разность температур;

?t_ср - средняя разность температур.

Среднюю температуру хлорбензола рассчитываем как:

Определение количества тепла передаваемого в подогревателе от конденсирующего пара к хлорбензолу.

Теплоемкость хлорбензола находиться при его средней температуре:

Количество передаваемого тепла рассчитываем как:

где Q - количество передаваемого тепла, Вт

Определение массового расхода технологического пара, необходимого для нагрева хлорбензола.

Удельная теплота парообразования технологического пара при Рабс = 8 атм равно r=2046.53Ч10³Дж/кг.

Тогда расход греющего пара:

Определение ориентировочной площади поверхности теплообменника:

Задача 9

В теплообменник поступает насыщенный водяной пар при избыточном давлении Р в количестве D и нагревает в нем жидкость от t₁ до t₂. Найти поверхность теплообмена и расход жидкости, если коэффициент теплопередачи К. Исходные данные приведены в таблице 4.9.

N п/п	Жидкость	Ризб, ат	D. т/ч	t1°C	t2.oС	S, м
7	Дифенил	7	3,5	70	160	70

Решение

Определение средней разности температур в теплообменнике и средней температуры хлорбензола.

Абсолютное давление пара равно:

Этому давлению соответствует температура конденсации дифенилаtконд = 300 °С, среднюю разность температур определяют как:

где ?t_б - большая разность температур;

?t_п- меньшая разность температур;

?t_ср - средняя разность температур.

Среднюю температуру дифенила рассчитываем как:

Удельная теплота парообразования технологического пара при Рабс = 8 атм равно r=2046.53Ч10³Дж/кг.

Тогда количество передаваемого тепла рассчитываем как:

Q = Dr = 0,972·2046,53·10³ = 1989227 МВт

Определение коэффициента теплопередачи теплообменника:

Теплоемкость дифенила находиться при его средней температуре:

Определим расход дифенила:

Задача 10

В теплообменник имеющий поверхность нагрева S, поступает сухой насыщенный водяной пар при избыточном давлении Р и нагревает в нем жидкость в количестве G от температуры t₁ до t₂. Найти расход греющего пара и коэффициент теплопередачи. Исходные данные приведеныв таблице 4.10.

Таблица 4.10

N п/п	Жидкость	Ризб, ат	G. т/ч	t1°C	t2.oС	S, м2
7	Вода	7	35	70	160	70

Решение

Определение средней разности температур в теплообменнике и средней температуры хлорбензола.

Абсолютное давление пара равно:

Этому давлению соответствует температура конденсации воды tконд = 169 °С, среднюю разность температур определяют как:

где ?t_б - большая разность температур;

?t_п- меньшая разность температур;

?t_ср - средняя разность температур.

Среднюю температуру воды рассчитываем как:

Определение количества тепла передаваемого в подогревателе от конденсирующего пара к хлорбензолу.

Теплоемкость воды находиться при его средней температуре:

Количество передаваемого тепла рассчитываем как:

где Q - количество передаваемого тепла, Вт

Определение массового расхода технологического пара, необходимого для нагрева хлорбензола.

Удельная теплота парообразования технологического пара при Рабс = 8 атм равно r=2046.53Ч10³Дж/кг.

Тогда расход греющего пара:

Определение коэффициента теплопередачи теплообменника:



Список используемой литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии Учебное пособие для вузов. 10-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1987. 576 с.

Размещено на Allbest.ru