自制简易换热器换热面积的计算——化工原理

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1、换热面积的计算简易换热器换热面积的计算问题的提出：工艺流程图二甲苯携水蒸汽循环冷却水逆流套管式换热器冷凝器为柱形，总体积为５升，总长４００ｍｍ，内置直径为１４ｍｍ的细直管。物料为二甲苯携水蒸汽进管层（１４０－２１０摄氏度），冷却循环水（２５摄氏度）进壳层，最终收得２．７公斤的水，采用１．２公斤的二甲苯参与反应，大概持续时间为９个小时。设备材质为３０４，无污垢层。套管冷凝器：内管直径为14mm(最好有壁厚，没有也影响不大)                  外管直径125mm                  管长    400mm

2、套管环隙走循环水，水温:25度    管内走二甲苯和水混合蒸汽：140-230度；    蒸汽量为：2.7Kg水+1.2公斤二甲苯（6~9个小时）首先我想知道目前这个冷凝器设计的换热面积够不够？新冷凝器如何设计才合适？已知条件：1、二甲苯蒸气流量：1.2Kg/(6*3600)s；潜热为360[kj/kg]；水蒸气流量为:-4-换热面积的计算2.7Kg/(6*3600)s;（甲苯水蒸气流经时间为6h）2、进口温度230℃，出口蒸汽为100℃（假设水蒸汽已经完全冷却为液态水）；3、冷却水进口温度为25℃，水的比热为4.18[KJ/kg

3、℃]；4、二甲苯水蒸汽冷凝给热系数为10000[w/m2℃]；5、冷却水壳层流速为1m/s，对流传热系数为1000[w/m2℃]；6、查表得1atm,230℃水蒸气焓值为，2934.05KJ/Kg，100℃水蒸气焓值为2646KJ/Kg，100℃水的汽化潜热为2257.6KJ/Kg；解：求传热面积A剖析冷凝过程：在230℃-140℃，二甲苯为气相，冷凝传热系数50[w/m2℃]，此过程传热为两个状态下蒸汽的焓值之差。潜热为360[kj/kg]，。同样水蒸气过程：在230℃-100℃，水为气相，冷凝传热系数100[w/m2℃]，此过

4、程传热为两个状态下蒸汽的焓值之差。潜热为2257.6KJ/Kg100℃气体-100℃液体此过程传热为汽化潜热，潜热为2257.6KJ/Kg。蒸汽释放的热量Q=Q二甲苯+Q水蒸气Q二甲苯=Q二甲苯1+Q二甲苯2+Q二甲苯3Q二甲苯2==1.2Kg/(6*3600)s*260KJ/Kg=0.0144KJ/s（具体焓值需要查询化工数据手册，260KJ/Kg为假设值）；Q二甲苯2=1.2Kg/(6*3600)s*360KJ/Kg=0.02KJ/s；Q二甲苯3==2.3*1.2Kg/(6*3600)s*40=0.0005KJ/s(C值为二甲

5、苯的比热容，假设为2.3[KJ/kg℃])；水蒸气焓值变化：Q水蒸气1=2.7Kg/(6*3600)s*228.05KJ/Kg=0.029KJ/s(汽-汽变化)100℃水的汽化潜热为2257.6KJ/KgQ水蒸气2=2.7Kg/(6*3600)s*2257.6KJ/Kg=0.2822KJ/s(汽-液变化)Q=Q二甲苯+Q水蒸气=0.0144+0.02+0.0005+0.029+0.2822=0.3461KJ/s-4-换热面积的计算由上式可知，热量基本由水蒸气提供，二甲苯只占很少一部分。为简化问题，假设：管层全部为气体，给热系数为1

6、0000[w/m2℃]；相态转变温度为140*1.2/3.9+100*2.7/3.9=112℃；由热量衡算求冷却水出口温度t2Q=Whr=WcCpc(t2-t1)=0.461×103=Wc×4.18×103(t2-20)假设1：冷却水在壳层的流速为1m/s，冷却水流量Wc=S*v*p截面积S=V/L-3.14/4*(0.014)^2=0.005m3/0.4m-3.14/4*(0.014)^2=0.0127m2v=1m/s,p=1000Kg/m3wc=0.0127*1*1000=12.7Kg/s解得t2=20℃，基本不变。假设2：冷

7、却水在壳层的流速为0.1m/s，冷却水流量Wc=S*v*p截面积S=V/L-3.14/4*(0.014)^2=0.005m3/0.4m--3.14/4*(0.014)^2=0.0127m2v=0.1m/s,p=1000Kg/m3wc=0.0127*0.1*1000=1.27Kg/st2=20℃,基本不变；T=112℃───T=100℃20℃─→─20℃△tm=(92+80)/2=86℃假设冷却水进入管内管内作湍流流动，内管管壁厚1mm,管壁热阻和污垢热阻忽略不计.1/K=1/αo+(1/αi)(do/di)=1/1000+(1/1

8、0000)(14/12)K=895.52(w/m2℃)A=Q/(K△tm)=346.1/(895.52*86)=0.0045m2实际换热面积A’=3.14*0.014*0.4=0.0176m2所需面积A<实际面积A’,换热面积能满足要求。出口均为液