Пример 2.1. Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения кубового остатка ректификационной колонны в количестве G₁ = 6,0 кг/с от t_1Н = 102,5 ^оС до t_1К = 30 ^оС. Кубовый остаток – коррозионноактивная органическая жидкость, которая при средней температуре t₁ = 0,5 (t_1н + t_1к) = 66^оС имеет следующие физико-химические характеристики: ρ₁ = 986 кг/м³; λ₁ = 0,662 Вт/(м×К); μ₁ = 0,00054 Па×с; с_р1 = 4190 Дж/(кг×К); b₁ = 0,00048 К^-1. Охлаждение осуществить водой с t_2н = 20^оС и t_2к = 40^оС.

Расчет теплообменника проводится последовательно в соответствии с общей блок-схемой (см. рис. 2.1).

1) Определение тепловой нагрузки:

2) Расход воды определяем из уравнения теплового баланса:

где 4180 Дж/(кг∙К) – теплоемкость воды с_р2 при ее средней температуре t₂ = 0,5 (t_2н + t_2к) = 30^оС. Остальные физические характеристики при этой температуре: ρ₂ = 996 кг/м³; λ₂ = 0,618 Вт/(м×К); μ₁ = 0,000804 Па×с.

3) Среднелогарифмическая разность температур в теплообменнике

4) Ориентировочный выбор теплообменника.

Решение вопроса о том, какой из теплоносителей направить в трубное пространство, определяется его давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена и др. Рассматриваемый пример относится к такому случаю, когда коррозионноактивную среду – кубовый остаток – целесообразно направить в трубное пространство, а охлаждающую воду – в межтрубное.

Примем ориентировочное значение Re_1оp = 15000, соответствующее развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно, такой режим возможен в теплообменниках, у которых число труб n, приходящееся на один ход по трубам диаметром d_н = 20×2 мм, равно

,

где n – общее число труб; z – число ходов по трубному пространству; d – внутренний диаметр труб, м.

	Расчет тепловой нагрузки

Сопоставление Fрасч. с Fнорм.

Рис. 2.1. Схема расчета теплообменников

Для труб диаметром d_н = 25×2 мм

Минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению теплоносителей, равно (табл. 2.5) К_ор=800 Вт/(м²∙К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит

Теплообменник с близкой поверхностью [1, с. 51, табл. 2.3] имеет диаметр кожуха 600-800 мм. При этом только многоходовые аппараты с числом ходов z = 4 или 6 имеют соотношение n/z, близкие к 50.

В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей, соответствующую поправку для средней разности температур определим по методике, предложенной в [1, с.46]:

,

где ;

.

Поправку для средней разности температур определим по рис. 2.1,a [1, стр. 47].

ε_Δt = 0,77 и Δt_ср = 28,6∙0,77 = 22,0^оС.

С учетом этих оценок ориентировочная поверхность составит

Теперь имеет смысл провести уточненный расчет следующих вариантов [1, с. 51, табл. 2.3]:

Iк D = 600 мм, d_н = 25×2 мм, z = 4, n/z = 206/4 = 51,5

IIк D = 600 мм, d_н = 20×2 мм, z = 6, n/z = 316/6 = 52,7

IIIк D = 800 мм, d_н = 25×2 мм, z = 6, n/z = 384/6 = 64,0

5) Уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Вариант Iк

В соответствии с формулой (2.16), коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам турбулентно, равен

Поправкой (Pr₁/Pr_{ст 1})^0,25 здесь можно пренебречь, так как разность температур t₁ и t_ст1 невелика (менее Dt_ср = 28,6 К).

Минимальное сечение потока в межтрубном пространстве [1, с. 51, табл. 2.3] S_мтр = 0,040 м², и

В соответствии с формулой (2.23), коэффициент теплоотдачи к воде составит

Поскольку кубовый остаток – органическая жидкость, в соответствии с табл. 2.2 [1] примем термические сопротивления загрязнений равными r_з1 = r_з2 = 1/5800 м²·К/Вт. Повышенная коррозионная активность кубовой жидкости позволяет выбрать в качестве материала труб нержавеющую сталь. Теплопроводность нержавеющей стали α_ст = 17,5 Вт/(м·К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

Коэффициент теплопередачи равен

Требуемая поверхность составляет

Из [1, с. 51, табл. 2.3] следует, что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной L = 4 м и номинальной поверхностью F_{I к} = 75 м². При этом запас поверхности

Масса теплообменника [1, табл. 2.10] М_Iк = 2290 кг.

Вариант IIк. Аналогичный расчет дает следующие результаты: Re₁ = 16770, α₁ = 3720 Вт/(м²·К), Re₂ = 14670, α₂ = 4310 Вт/(м²·К), К = 1045 Вт/(м²·К), F = 60,9 м². Из [1, с. 51, табл. 2.3] следует, что теплообменник длиной 3 м имеет меньшую номинальную поверхность (F = 60 м²), поэтому он для данной задачи непригоден. Теплообменник длиной 4 м и поверхностью 79 м² не имеет преимуществ по сравнению с вариантом Iк, так как при большей массе (М_IIк = 2500 кг) он заведомо будет иметь и большее гидравлическое сопротивление.

Вариант IIIк. Результаты расчета: Re₁ = 10540, α₁ = 1985 Вт/(м²·К), Re₂ = 10440, α₂ = 2830 Вт/(м²·К), К = 760 Вт/(м²·К), F = 83,7 м². Из [2, с. 51, табл. 2.3] следует, что теплообменник с трубами длиной 3 м, номинальной поверхностью F = 90 м² подходит с запасом D = 7,5 %. Его масса М_IIIк = 3230 кг больше, чем в варианте Iк, однако меньшая длина труб выгодно отличает его от варианта Iк. Помимо большей компактности такой теплообменник должен иметь меньшее гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве. Стремясь получить еще меньшую длину труб, целесообразно рассмотреть дополнительный вариант IVк.

Вариант IVк.D = 800 мм, d_н = 20×2 мм, z = 6, n/z = 618/6 = 103.

Результаты расчета: Re₁ = 8560 (режим движения переходный), α₁ = 1940 Вт/(м²·К), Re₂ = 8350, α₂ = 3075 Вт/(м²·К), К = 770 Вт/(м²·К), F = 82,7 м². Из [2, с. 51, табл. 2.3] видно, что теплообменник с трубами длиной 3 м и номинальной поверхностью F = 116 м² не имеет преимуществ по сравнению с вариантом IIIк, так как при большей массе (М_IVк = 3550 кг) он заведомо будет иметь и большее гидровлическое сопротивление.

Дальнейшее сопоставление двух конкурентоспособных вариантов (Iк, IIIк) проводится по гидравлическому сопротивлению.

6)Расчет гидравлического сопротивления.

В трубном пространстве перепад давления определяют по формуле (1.1):

,

в которой l = L·z. Скорость жидкости в трубах

(2.52)

Коэффициент трения определяют по формулам (1.4 – 1.8). При Re_тр > 2300 его можно также определить по формуле

(2.53)

где e = D/d – относительная шероховатость труб; D - высота выступов шероховатостей (в расчетах можно принять D = 0,2·10^{-3 м).}

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в трубном пространстве:

x_{тр 1} = 1,5 – входная и выходная камеры;

x_{тр 2} = 2,5 – поворот между ходами;

x_{тр 3} = 1,0 = вход в трубы и выход из них.

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе из нее следует рассчитывать по скорости жидкости в штуцерах. Диаметры штуцеров нормализованных кожухотрубчатых теплообменников приведены в [1, табл. 2.6].

В межтрубном пространстве гидравлическое сопротивление можно рассчитать по формуле

(2.54)

Скорость жидкости в межтрубном пространстве определяется по формуле

(2.55)

где S_мтр – самое узкое сечение межтрубного пространства [1, табл. 2.3, 2.5]

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в межтрубном пространстве:

x_{мтр 1} = 1,5 – вход и выход жидкости;

x_{мтр 2} = 1,5 – поворот через сегментную перегородку;

x_{мтр 3} = - сопротивление пучка труб, где ; m – число рядов труб, которое приближенно можно определить следующим образом.

Общее число труб при их размещении по вершинам равносторонних треугольников равно n = 1 + 3а + 3а², где а – число огибающих трубы шестиугольников (в плане трубной доски). Число труб в диагонали шестиугольника и можно определить, решив квадратное уравнение относительно а:

Число рядов труб, омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве, приближенно можно принять равным 0,5b:

(2.56)

Сопротивление входа и выхода следует также определять по скорости жидкости в штуцерах, диаметры условных проходов которых приведены в [1, табл. 2.6].

Число сегментных перегородок зависит от длины и диаметра аппарата. Для нормализованных теплообменников эти числа приведены в [1, табл. 2.7].

Расчетные формулы для определения гидравлического сопротивления в трубном и межтрубном пространствах окончательно принимают вид:

(2.57)

где z– число ходов по трубам;

(2.58)

где x – число сегментных перегородок; m - число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве.

Сопоставим два выбранных варианта кожухотрубчатых теплообменников по гидравлическому сопротивлению.

Вариант Iк.Скорость жидкости в трубах

где S_тр – площадь сечения одного хода по трубам, м² [1, с. 51, табл. 2.3].

Коэффициент трения рассчитывается по формуле (2.53):

Диаметр штуцеров к распределительной камере d_тр.ш = 0,15 м, скорость в штуцерах

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, три поворота на 180^о и по четыре раза вход в трубы и выход из них.

Гидравлическое сопротивление трубного пространства в соответствии с формулой (2.57) равно

Число рядов труб, омываемых водой в межтрубном пространстве ; округлим в большую сторону: m » 9. Число сегментных перегородок x = 18 [1, табл. 2.7]. Диаметр штуцеров к кожуху d_мтр.ш = 0,2 м, скорость воды в штуцерах

Скорость воды в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью S_мтр = 0,04 м² [1, табл. 2.3], равна

В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 18 поворотов через сегментные перегородки (по их числу x = 18) и 19 сопротивлений трубного пучка при его поперечном обтекании (x+1).

В соответствии с формулой (2.58) сопротивление межтрубного пространства равно

Вариант IIIк. Аналогичный расчет дает следующие результаты w_тр = 0,277 м/с, λ = 0,0431, w_тр.ш = 0,344 м/с, Dp_тр = 2424 Па, w_мтр = 0,347 м/с, w_мтр.ш = 0,446 м/с, m = 12, x = 6, Dp_мтр = 3093 Па.

Сопоставление этого варианта с вариантом Iк показывает, что как и ожидалось, по гидравлическому сопротивлению вариант IIIк лучше.

Теперь по значениям ориентировочной поверхности теплопередачи F_ор м², диаметру труб трубного пучка и найденному числу труб на один ход n = 64 шт. выбираем нормализованный аппарат со следующими характеристиками.

Поверхность теплопередачи F = 90 м²

Диамерт кожуха внутренний D = 800 мм

Общее число труб n = 385 шт.

Длина труб L = 3,0 м

Площадь трубного пространства S_тр = 0,022 м²

Площадь сечения в вырезе перегородок S_мтр = 0,065 м²

Число ходов z = 6

Выбор лучшего из них должен быть сделан на основе технико-экономического анализа [1,2, с. 78].

Пример 2.2. Определить коэффициент теплопроводности сухого воздуха при атмосферном давлении и температуре 80^оС, если его удельная теплоемкость при постоянном давлении равна c_P = 0,244 ккал/(кг·град) и динамическая вязкость μ = 0,021 спз.

Решение. Пользуемся формулой (2.11):

Поскольку воздух в основном состоит из двухатомных газов, примем В = 1,9. Из формулы В = (9 c_P/c_V - 5)/4 вычислим теплоемкость при постоянном объеме:

Динамическая вязкость μ = 0,021 спз = 0,021·10^-3 н·сек/м².

Следовательно, теплопроводность равна

λ = 1,9·0,174·4,19·10³·0,021·10^-3 = 0,0291 Дж/(м·сек·град)

Пример 2.3. Внутренняя стенка печи толщиной 120 мм выложена из огнеупорного кирпича, наружная стенка печи толщиной 160 мм – из обычного кирпича. Режим работы печи стационарен. Температура внутренней стенки печи равна 700^оС, а наружной стенки 140^оС. Для уменьшения потерь тепла наружная поверхность была покрыта теплоизоляционным слоем из оксида магния (λ_из = 0,085 Дж/(м·сек·град)) толщиной 50 мм. После этого температура внутренней поверхности печи стала t_вн = 721^оС, на границе огнеупорная кладка – кирпич t₂ = 660^оС, на границе кирпич – теплоизоляция t₃ = 490^оС, а на наружной поверхности t_н = 95^оС. Определить потери тепла печью в обоих случаях (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Изменение температуры по толщине стенки.

Решение. Пользуясь соотношением (2.2), можно составить следующую систему уравнений

где q', q'' – потери тепла в первом и втором случаях; λ₁, λ₂ – теплопроводность огнеупорной и кирпичной кладок.

Подставив соответствующие числовые значения, получим

откуда .

Следовательно,

Таким образом, при нанесении дополнительного слоя теплоизоляции потери тепла уменьшились с 1630 до 671,5 Вт/м².

Пример 2.4. Аппарат диаметром 2 м и высотой 5 м покрыт слоем теплоизоляции из асбеста толщиной 75 мм. Температура стенки аппарата 146^оС, температура наружной поверхности изоляции 40 ^оС. Определить расход теплоты (тепловой поток) через слой изоляции.

Решение. Средняя площадь, через которую проходит теплота:

Коэффициент теплопроводности асбеста λ = 0,151 Вт/(м·К) [4,5, табл. XXVIII]

Тепловой поток через изоляцию:

Пример 2.5. Определить коэффициенты теплоотдачи воздуха для двух случаев:

а) однократное поперечное обтекание под углом 90^о многорядного пучка в наиболее узком сечении 12 м/с (рис.2.3);

б) движение воздуха через межтрубное пространство (с поперечными перегородками) кожухотрубчатого теплообменника; расчетная скорость 12 м/с (рис.2.4).

Рис. 2.3. Схема аппарата с однократно- перекрестным движением жидкости.	Рис. 2.4. Кожухотручатый теплообменник с сегментными поперечными перегородками.

В обоих случаях наружный диаметр труб 44,5 мм, средняя температура воздуха 200^оС, давление атмосферное.

Решение. а) Однократное обтекание пучка труб.

Критерий Рейнольдса:

где ρ = 0,745 кг/м³ – плотность воздуха при 200^оС; μ = 0,026·10^-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости воздуха при 200^оС.

Для воздуха Pr = 1, (Pr/Pr_ст) = 1.

По формуле (2.24)

Коэффициент теплоотдачи:

где λ = 0,0395 Вт/м·К – коэффициент теплопроводности воздуха при 200^оС.

б) Течение воздуха в межтрубном пространстве теплообменника с поперечными перегородками в кожухе.

Если задана расчетная скорость, то расчет аналогичен предыдущему, но в формулы для определения Nu или α вводится коэффициент ε_φ = 0,6:

Пример 2.6. Метиловый спирт (100%) нагревается в трубном пространстве одноходового кожухотрубчатого теплообменника от 15 до 40^оС. Противотоком в межтрубном пространстве течет вода, которая охлаждается от 90 до 40^оС. Теплообменник состоит из 111 стальной трубы диаметром мм. Скорость метилового спирта в трубах 0,75 м/с.

Определить необходимую поверхность теплопередачи теплообменника и длину трубчатки, если принять коэффициент теплоотдачи от воды к стенке 840 Вт/м²·К, суммарную тепловую проводимость обоих загрязнений стенки 1700 Вт/м²·К и среднюю температуру загрязнений поверхности стенки со стороны спирта 38^оС.

Решение. средняя разность температур:

90 40

40 15

Dt_б = 50 Dt_м = 25

Отношение Dt_б/Dt_м =50/25 = 2, следовательно, можно принять среднюю арифметическую разность температур Dt_ср = 0,5 (50+25) = 37,5 К.

Средняя температура спирта:

t₂ = 0,5 (40+15) = 27,5 ^оС

Массовый расход спирта:

где ρ₂ = 785 кг/м³ – плотность метилового спирта при 27,5^оС.

Количество передаваемой теплоты

где с₂ = 2520 Дж/кг·К – удельная теплоемкость спирта при 27,5^оС.

Критерий Рейнольдса для спирта:

где μ₂ = 0,53·10^-3 Па·с – динамический коэффициент вязкости спирта при 27,5^оС.

Критерий Прандтля для спирта:

где λ₂ = 0,212 Вт/м·К – коэффициент теплопроводности спирта при 27,5^оС.

Режим течения спирта турбулентный, поэтому принимаем для расчета формулу (2.16):

Здесь

где с₂, μ₂ и λ₂ определены при t_ст = 38^оС. Тогда

Коэффициент теплопередачи:

где λ_ст = 46,5 Вт/м·К – коэффициент теплопроводности стали.

Поверхность теплообмена:

Длина трубчатки:

Здесь d_ср = (0,025+0,021)/2=0,023 м.

По ГОСТ 15122-79 для теплообменника с кожухом 400 мм и числом труб 111 трубчатка имеет длину 2; 3; 4 и 6 м. Чтобы обеспечить запас поверхности теплообмена, принимаем 5 аппаратов с трубчаткой длиной 3 м.

Запас поверхности теплообмена будет равен:

Пример 2.7. Определить толщину кирпичной обмуровки утилизационного котла, выполненной из диатомитового кирпича, если средняя температура контактных газов в нем равна 270^оС. Температура поверхности изоляции не должна быть выше 50^оС, коэффициент теплоотдачи от контактных газов к стенке аппарата α₁ = 20 ккал/м²·ч·град. Аппарат расположен на открытом воздухе; температура воздуха +5^оС; скорость ветра 5м/с.

Решение. Принимая температуру поверхности изоляции равной 40^оС, находим коэффициент теплоотдачи α₂ равным 20 ккал/м²·ч·град (в соответствии со скоростью ветра 5 м/с); по уравнению (2.39) определяем удельный тепловой поток q:

Из справочной литературы находим λ_из при средней температуре изоляции равным 0,128 ккал/м·ч·град и, подставляя найденные значения в уравнение теплопередачи (2.38), находим δ_из:

откуда δ_из = 0,036 м.

Стандартные размеры кирпича . Толщину кладки принимаем 65 мм.

Контрольные задачи

Задача 2.1. Стенки печи построены из огнеупорного и строительного кирпича с коэффициентами теплопроводности λ_огн = 0,45 Дж/м·с·град и λ_стр = 0,35 Дж/м·с·град. Толщина кладки составляет соответственно 120 и 200 мм. Определить потери в окружающую среду, а также температуру на границе обоих слоев, если температура внутренней стенки печи составляет 1200^оС, а наружной стенки 150^оС (рис. 2.5).

1200оС

Рис.2.5. Изменение температуры по толщине стенки (к задаче 2.1)

Задача 2.2. Потери тепла в окружающую среду печью со стенкой толщиной 0,45 м составляют 15000 Вт. Определить температуру наружной стенки печи, если температура ее внутренней стенки равна 1050^оС, а средняя теплопроводность составляет 1,2 Вт/м·град. Поверхность стенки равна 8 м².

Задача 2.3. Определить количество тепла, проникающего в холодильную камеру с площадью стен 120 м². Стены камеры выполнены из строительного кирпича (толщина δ_к = 0,25 м; теплопроводность λ_к = 0,7 Вт/м·град) и изолированы слоем пробки толщиной δ_п = 0,2 м (теплопроводность λ_п = 0,07 Вт/м·град). Пробка покрыта тонким слоем лака, препятствующего ее увлажнению. Термическое сопротивление лаковой пленки ничтожно мало. Температура внутренней поверхности камеры t_вн = -2^оС; температура ее наружной поверхности t_н = 25^оС.

Задача 2.4.Критерии Грасгофа и Прандтля для жидкости, находящейся в контакте с горизонтальной трубой диаметром 5 см, составляют 10000 и 10 соответственно. Определить тепловые потери за счет естественной конвекции для трубы длиной 80 м. Температура поверхности трубы 80^оС, температура жидкости 40^оС. Коэффициент теплопроводности жидкости λ = 0,04 Вт/м·град.

Задача 2.5. Определить коэффициент теплоотдачи к воде, кипящей в трубках выпарного аппарата, если температура греющей поверхности составляет t_ст = 65^оС; вода кипит при давлении 2500 Н/м².

Задача 2.6. Воздух подогревается в трубном пространстве двухходового кожухотрубчатого теплообменника с 2 до 90^оС при среднем давлении (абсолютном) 810 мм рт. ст. Объемный расход воздуха при нормальных условиях (0^оС и 760 мм рт. ст.) составляет v₀ = 8290 м³/ч. Общее число труб – 450, на один ход трубного пространства – 225. Диаметр труб равен мм. В межтрубное пространство подается насыщенный водяной пар под давлением (абсолютным) 2 кгс/см².

Определить необходимую поверхность теплообмена и длину трубчатки. Принять коэффициент теплопередачи равным коэффициенту теплоотдачи воздуха.

Задача 2.7. Во сколько раз увеличится термическое сопротивление стенки стального змеевика, свернутого из трубы диаметром 38×2,5 мм, если покрыть ее слоем эмали толщиной 0,5 мм? Считать стенку плоской. Коэффициент теплопроводности эмали 1,05 Вт/(м·К).

Задача 2.8. Паропровод длиной 40 м, диаметром 51×2,5 мм покрыт слоем изоляции толщиной 30 мм; температура наружной поверхности изоляции t₂ = 42^оС, внутренней t₁ = 175^оС. Определить количество теплоты, теряемое паропроводом в 1 ч. Коэффициент теплопроводности изоляции λ = 0,116 Вт/(м·К).

Задача 2.9. Колонна для ректификации жидкого воздуха покрыта слоем тепловой изоляции из шлаковой ваты толщиной 250 мм. Температура жидкости внутри колонны –190^оС, температура воздуха в помещении 20^оС. Какое количество теплоты может проникать из окружающего воздуха в колонну через 1 м² поверхности, если пренебречь термическими сопротивлениями со стороны жидкости, окружающего воздуха и металлической стенки колонны?

Задача 2.10. На складе оборудования имеется кожухотрубчатый теплообменник, состоящий, состоящий из 19 латунных труб диаметром 18×2 мм, длиной 1,2 м. Достаточна ли его поверхность для конденсации 350 кг/ч насыщенного пара этилового спирта, если принять коэффициент теплопередачи равным 700 Вт/(м²·К), начальную температуру воды 15^оС, а конечную 35^оС? Конденсация спирта предполагается при атмосферном давлении, жидкий спирт отводится при температуре конденсации.

Задача 2.11. Определить необходимую поверхность противоточного теплообменника при охлаждении 0,85 м³/ч сероуглерода от температуры кипения под атмосферным давлением до 22^оС. Охлаждающая вода нагревается от 14 до 25^оС; = 270 Вт/(м²·К); = 720 Вт/(м²·К). Толщина стальной стенки 3 мм. Учесть наличие загрязнений – ржавчины и накипи, приняв = 0,00069 (м²·К)/Вт. Определить также расход воды.

Задача 2.12. Требуется конденсировать 10 т/ч насыщенного пара н-гексана при 70^оС. Охлаждение конденсатора может быть осуществлено: а) водой, нагреваемой от 16 до 36^оС; б) воздухом, нагреваемым от 25 до 48^оС. Коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося пара гексана в обоих случаях принять равным 1700 Вт/(м²·К). Коэффициенты теплоотдачи для воды и воздуха взять ориентировочно (средние значения) по табл. 2.1, для воды – при турбулентном течении по трубам, для воздуха – при поперечном обтекании труб. Жидкий гексан отводится при температуре конденсации. Термические сопротивления стенки и загрязнений не учитывать. Удельная теплота конденсации гексана 33,3×10⁴ Дж/кг. Определить расходы воды и воздуха (в м³/ч) и требуемые поверхности теплообмена.

Задача 2.13. При теплообмене двух турбулентных потоков (Re > 10 000) у первого потока α₁ = 230 Вт/(м²·К), у второго α₂ = 400 Вт/(м²·К). Во сколько раз увеличится коэффициент теплопередачи, если скорость первого потока возрастет в 2 раза, а скорость второго – в 3 раза (при прочих неизменных условиях)? Термическое сопротивление стенки не учитывать.

Задача 2.14. В условиях свободной конвекции охлаждается толуол. Средняя температура толуола 50^оС. Диаметр горизонтальных труб 38×2 мм. Температура наружной поверхности загрязнения труб, соприкасающейся с толуолом 30^оС. Определить коэффициент теплоотдачи толуола.

Задача 2.15. По вертикальной стенке пленочного холодильника стекает пленкой 60% серная кислота в количестве 2,1 дм³/с на 1 м ширины стенки. Высота холодильника 5 м. Средняя температура поверхности стенки 24^оС, средняя температура кислоты 50^оС. Вычислить коэффициент теплоотдачи для кислоты, если коэффициент теплопроводности ее равняется 0,43 Вт/(м·К).

Задача 2.16. Насыщенный водяной пар конденсируется на наружной поверхности пучка горизонтальных труб. Наружный диаметр труб 38 мм. Расположение труб шахматное. Расчетное число труб по высоте 11. Температура конденсации 160^оС. Определить средний коэффициент теплоотдачи, приняв температуру наружной поверхности труб 152^оС. Пар содержит 0,5 относительных % воздуха.

Задача 2.17. Метиловый спирт (100%) нагревается в трубном пространстве одноходового кожухотрубчатого теплообменника от 15 до 42^оС. Противотоком в межтрубном пространстве течет вода, которая охлаждается от 90 до 40^оС. Теплообменник с кожухом 400 мм состоит из 111 стальных труб диаметром 25×2 мм. Скорость метилового спирта в трубах 0,75 м/с. Коэффициент теплоотдачи для воды 840 Вт/(м²·К), суммарная тепловая проводимость стенки и обоих загрязнений стенки 1700 Вт/(м²·К), средняя температура поверхности загрязнения, соприкасающейся со спиртом, 38^оС. Определить требуемую площадь поверхности теплообмена.

Задача 2.18. По змеевику проходит 1,5 т/ч толуола, охлаждающегося от 90 до 30^оС. Охлаждение (противотоком) проводится водой, нагревающейся от 15 до 40^оС. Труба змеевика стальная диаметром 57×3,5 мм; α_воды = 580 Вт/(м²·К). Диаметр витка змеевика 0,4 м. Определить необходимую длину змеевика и расход воды. Термическое сопротивление стенки и ее загрязнений принять равным 0,0007 (м²·К)/Вт, а отношение Pr/Pr_ст для толуола равным 0,75.

Задача 2.19. В теплообменнике типа «труба в трубе», состоящем из двух концентрических труб: внутренней диаметром 44,5×3,5 мм и наружной диаметром 89×5 мм, охлаждается от 70 до 30^оС толуол в количестве 1900 кг/ч. Толуол проходит по кольцевому пространству между наружной и внутренней трубой; по внутренней протекает охлаждающая вода, нагревающаяся от 14 до 21^оС. Средняя температура поверхности загрязнения со стороны толуола 26^оС, со стороны воды 20^оС. Определить коэффициент теплопередачи. Учесть термические сопротивления загрязнений стенки со стороны толуола и со стороны воды (среднего качества).

Расчет сделать: а) без учета влияния Pr/Pr_ст; б) с учетом влияния Pr/Pr_ст.

Задача 2.20. Вертикальная стенка выпарного аппарата покрыта слоем изоляции [λ = 0,12 Вт/(м·К)] толщиной 45 мм. Температура кипящего раствора 120^оС, температура воздуха в помещении 20^оС. Определить потерю теплоты излучением и конвекцией с 1 м² в 1 ч, принимая температуру поверхности стенки, соприкасающейся с кипящим раствором, равной температуре последнего.

Задача 2.21. По горизонтальному паропроводу диаметром 51×2,5 мм, длиной 50 м проходит насыщенный пар под давлением р_абс = 4 кгс/см² (~0,4 МПа). Определить количество конденсата, образующегося в течение суток в неизолированном трубопроводе. Температура воздуха в цехе 15^оС.

Задача 2.22. Аппарат изолирован слоем шамотного кирпича толщиной 125 мм [λ = 0,68 Вт/(м·К)] и слоем изоляционной массы [λ = 0,12 Вт/(м·К)]. Температура наружной поверхности металлической стенки аппарата 500^оС. Найти достаточную толщину изоляционного слоя, чтобы температура его наружной поверхности не превышала 50^оС при температуре воздуха в цехе 25^оС.

Задача 2.23. В сушилке, вдоль ее плоской стенки длиной 6 м, проходит со скоростью 2,5 м/с горячий воздух атмосферного давления, имеющий среднюю температуру 85^оС. Стальная стенка сушилки толщиной 5 мм изолирована снаружи слоем теплоизоляции толщиной 30 мм. Температура воздуха в помещении 18^оС. Определить количество теплоты, теряемой в 1 ч с 1 м² стенки сушилки путем конвекции и излучением. Учесть тепловую проводимость загрязнения внутренней стенки сушилки.