Контрольные задачи раздел 7 Расчет теплообменной аппаратуры

Задача VII.1. Требуется охладить жидкость в теплообменнике типа труба в трубе от 300 до 200°С. Охлаждающая жидкость входит при температуре 100°С и выходит при 150°С. Определить, следует ли принять прямоточную или противоточную схему движения потоков.
Указание. Сравнить значения среднелогарифмического температурного напора для прямотока и противотока.

Задача VII.2. Для охлаждения минерального масла имеется противоточный теплообменник общей поверхностью F = 25 м². В качестве охлаждающего агента применяется 8000 кг/ч воды при температуре 15°С. Определить конечные температуры масла и охлаждающей воды, если в теплообменник поступает 5000 кг/ч масла. Удельная теплоемкость масла при температуре 95° С, с = 2100 дж/(кг-град); расчетное значение коэффициента теплопередачи k = 250 вт/(м2-град).

Задача VII. 3. В теплообменнике охлаждают 5500 кг/ч раствора от 90 до 30°С. Для охлаждения используют воду при температуре t1 = 15 С. Определить поверхность теплообмена и расход охлаждающей воды при прямотоке и противотоке. Конечная температура воды должна быть на 5° С ниже конечной (при прямотоке) и начальной (при противотоке) температуры раствора. Коэффициент теплопередачи k= 1100 вт/ (м²-град); удельная теплоемкость раствора с = 3350 дж/(кг-град).

Задача VII. 4. Определить поверхность теплообменника для охлаждения 3000 кг/ч минерального масла от 100 до 30° С. Для охлаждения используется то же масло, которое нагревается от 20 до 40° С. Удельная теплоемкость минерального масла с = .= 1670 дж/(кг-град). Зависимость коэффициента теплопередачи от температуры: л
Температура горячего масла, °С…….….....100……80…… 60……40……30
Коэффициент теплопередачи, вт/(м2-град)..406…..384……350….288….230

Задача VII. 5. Реагирующую смесь необходимо подвергнуть предварительному нагреванию от 20 до 120°С, используя для этого тепло продуктов реакции, охлаждаемых от 350 до 150°С. Для выбора наиболее выгодной схемы относительного движения потоков определить соотношение величин поверхностей теплообмена, соответствующих прямоточному, противоточному и смешанному движению жидкостей (один ход через межтрубное пространство и два или четыре хода через трубы).
Указание. Коэффициенты теплопередачи при прямотоке и противотоке считать одинаковыми. Возрастание коэффициента теплопередачи при увеличении числа ходов определить по уравнению (VI. 23), считая, что при одном ходе оба коэффициента теплоотдачи а1 и а2 одинаковы. Термическим сопротивлением стенок и отложений пренебречь.

Задача VII. 6. Определить для теплообменника типа труба в трубе, конструкция которого показана на рис. VII - 20, конечные температуры tа и tЬ жидкости в межтрубном пространстве. Холодная жидкость поступает в теплообменник при температуре 20° С; на выходе из межтрубного пространства каждой секции потоки жидкости смешиваются. Температура смешения 60° С. Горячая жидкость имеет начальную температуру 105 и конечную 65° С.
Указание. Поверхность теплообмена и коэффициенты теплопередачи в обеих ветвях одинаковы.

Рис. VII-20. Схема потоков в теплообменнике (к задаче VII. 6).

Задача VII.7. 150000 кг/ч воды нагревают в противоточном теплообменнике от 90 До 160°С. Для нагревания используют горячие газы, имеющие начальную температуру 450 и конечную 120°С. Определить коэффициент теплопередачи, если поверхность теплообмена составляет 3500 м².

Задача VII. 8. а) Необходимо охладить 1500 кг/ч масла от 110 до 50 °С. Для охлаждения используют воду при начальной температуре 15° С. Максимально допустимая конечная температура воды составляет 30° С. Удельная теплоемкость масла равна 0,5 ккал/(кг-град). Определить необходимый расход воды, а также произведение коэффициента теплопередачи на поверхность теплообмена. Движение теплоносителей - противоточное.
б) Полагая конструкцию теплообменника заданной, определить конечные температуры воды и масла, если по какой-либо причине расход последнего удваивается, а расход воды и начальные температуры остаются неизменными. Считать, что произведение ЬР остается неизменным.

Задача VII. 9. Теплообменник используется для нагревания 13000 кг/ч уксусной кислоты от 65 до 120° С. Нагревание производят бутиловым спиртом, имеющим начальную температуру 160°С; расход 19000 кг/ч. Коэффициент теплопередачи составляет 400 вт/(м²-град); удельная теплоемкость уксусной кислоты с₁ = 0,49 ккал/(кг-град); удельная теплоемкость бутилового спирта с2 = 0,6 ккал/(кг-град). Через два месяца эксплуатации конечная температура бутилового спирта в результате отложений на стенках увеличилась на 2° С. Определить, до какой температуры можно будет нагревать уксусную кислоту через год после ввода в эксплуатацию теплообменника (расходы жидкостей остаются неизменными).
Указание. Считать, что скорость образования отложений постоянна.

Задача VII. 10. Определить поверхность теплообмена, необходимую для охлаждения G{ = 5000 кг раствора от 120 до 60°С за 1,5ч. Охлаждение осуществляют водой, имеющей начальную температуру 20° С; расход воды С2 = 0,95 кг/сек.
Коэффициент теплопередачи k = 930 вт/ (м2-град); удельная теплоемкость раствора с = 3760 дж/(кг-град). Определить также конечную температуру охлаждающей воды в начале и конце процесса.

Задача VII. 11. Рассчитать теплообменник для нагревания 6000 кг/ч воды от 20 до 50° С. Нагревание проводят насыщенным водяным паром; температура пара 120° С. Для изготовления теплообменника использовать стальные трубы диаметром 25/21 мм и длиной 1,2 м. Определить число труб и число ходов для воды. Коэффициент теплоотдачи на стороне пара принять а = 6000 вт/(м2-град); теплопроводимость осадка на. стенках труб л/б = 4500 вт/(м2-град); скорость воды в трубах 0,5 м/сек.
Указание. Коэффициент теплоотдачи на стороне воды определять по формуле (VI. 23).

Задача VII. 12. Определить, можно ли нагревать в течение 1 ч С0 = 7000 кг раствора, находящегося в реакторе, от tН = 20° С до tК = 95°С. Нагревание осуществляется насыщенным водяным паром; температура пара t= 120° С; поверхность теплообмена реактора F = 12 м²; расчетное значение коэффициента теплопередачи k = 850 вт/(м²*град). Во время нагревания в реактор вводят реагент в количестве G = 0,2 кг/сек, который мгновенно вступает в реакцию и выделяет Q_Р = 4,5*10⁵ дж/кг тепла. Начальная температура реагента также равна 20° С, а его удельная теплоемкость практически равна теплоемкости раствора с = 3500 дж/(кг-град).
Указание. Для определения времени нагревания проинтегрировать уравнение теплового баланса

Тепло, сообщаемое паром, и теплота реакции нагревают раствор и реагент до температуры t.

Задача VII.13. Определить среднюю температуру кипения уксусной кислоты в выпарном аппарате с вертикальными кипятильными трубами длиной 2,5 м. Давление в паровом пространстве выпарного аппарата составляет 0,2 ат. Уровень жидкости над трубами равен нулю. Плотность кипящей жидкости в трубах принять равной 0,5 плотности уксусной кислоты, составляющей при температуре кипения в выпарном аппарате 1020 кг/м³. Температура кипения уксусной кислоты при атмосферном давлении равна 118,5° С, а давление ее паров при 60° С составляет 88,9 мм рт. ст.

Задача VII. 14. 48%-ный раствор NаОН имеет при нормальном атмосферном давлении температуру кипения 140° С, а при давлении 0,2 ат - 99° С. Определить температуру кипения раствора при 0,7 ат.
Указание. Использовать метод Дюринга.

Задача VII. 15. Определить поверхность теплообмена, необходимую для выпаривания 1,5 кг/сек воды при атмосферном давлении и при разрежении 0,8 ат. Коэффициент теплопередачи в обоих случаях принять равным 1800 Вт/(м²*град). Выпаривание происходит за счет теплоотдачи от насыщенного водяного пара под давлением 2 ат. Для определения средней температуры кипения воды принять плотность паро-жидкостной эмульсии в трубах равной 0,5 плотности воды при той же температуре.

Задача VII. 16. В выпарном аппарате с вертикальными кипятильными трубами (длиной 3 м) и поверхностью" теплообмена 131 м² необходимо упарить 1,3 кг/сек 10%-ного раствора КС1 до концентрации 32%. Для нагрева использовать насыщенный водяной пар при атмосферном давлении. Определить, каким должно быть рабочее давление в аппарате, чтобы обеспечить требуемую производительность. Коэффициент теплопередачи принять равным 900 вт/(м2-град); исходный раствор поступает в выпарной аппарат предварительно нагретым до температуры кипения; температурная депрессия равна 7° С; плотность раствора составляет 1200 кг/м³.
Указание. Плотность кипящей жидкости принять равной 0,6 плотности раствора, а энтальпию раствора - равной сумме энтальпий воды и растворенного вещества.

Задача VII. 17. Производительность выпарного аппарата с поверхностью теплообмена 50 м2 в момент ввода в эксплуатацию составляла 0,4 кг/сек исходного раствора. После трех месяцев работы производительность снизилась до 0,32 кг/сек. Определить толщину образовавшегося за это время слоя отложений, если теплопроводность л = 1,4 вт/(м2-град), а также производительность аппарата через год работы, если скорость нарастания слоя отложений будет постоянной. В выпарном аппарате осуществляется выпарка 10%-ного раствора СаС12 до концентрации 30%. Начальная температура исходного раствора равна 20° С. Греющим агентом служит насыщенный водяной пар под давлением 2 ат. Средняя температура кипения раствора в выпарном аппарате равна 111°С. Удельная теплоемкость СаС1₂ с = 685 дж/(кг-град).

Задача VII. 18. Рассчитать выпарной аппарат непрерывного действия для концентрирования при атмосферном давлении 1,5 кг/сек 12%-ного раствора КNО₃ до концентрации 39%. Температура кипения раствора при нормальном атмосферном давлении равна 104° С. Для нагрева используется насыщенный водяной пар с температурой 125° С. Расчетное значение коэффициента теплопередачи k = 1300 вт/(м²-град); гидростатическая температурная депрессия Δtгг=1,2°С. Для предварительного нагревания раствора от температуры 15° С используют часть вторичного пара; поверхность теплообмена предварительного нагревателя F = 35 м2, а коэффициент теплопередачи K = 850 вт/ (м² • град). Удельная теплоемкость твердого КNО3 с= 1100 дж/(кг-град). Потерями тепла в окружающую среду пренебречь.

Задача VII. 19. Определить, до какой концентрации можно упарить 4%-ный водный раствор в выпарном аппарате поверхностью теплообмена F = 65 м². Количество исходного раствора составляет 1,2 кг/сек. Средняя температура кипения раствора 104° С. Выпарка производится при атмосферном давлении. Удельная теплоемкость растворенного вещества с= 1250 дж/(кг• град). Для нагревания используют насыщенный водяной пар под давлением 3 ат. Расчетное значение коэффициента теплопередачи k = 850 вт/(м²*град). Раствор поступает в выпарной аппарат при температуре 15° С.

Задача VII. 20. По условиям задачи (VII.19) определить конечную концентрацию раствора, если последний перед поступлением в выпарной аппарат подвергается предварительному нагреванию до 110°С.

Задача VII. 21. Необходимо повысить производительность выпарного аппарата по исходному раствору от 2,5 до 4 кг/сек. Определить, насколько надо повысить давление греющего пара, чтобы конечная концентрация раствора при увеличении производительности не снизилась. Производительность 2,5 кг/сек достигается при давлении пара 2 ат; средняя температура кипения раствора 108° С. Коэффициент теплопередачи пропорционален квадратному корню из тепловой нагрузки.

Задача VII. 22. Для концентрирования 2 т/ч исходного 10%-ного раствора до 30% расходуется 1,77 т/ч насыщенного водяного пара под давлением 3 ат. Определить потери тепла выпарным аппаратом в окружающую среду, если известно, что раствор кипит при 108° С, а начальная температура раствора равна 20° С. Удельная теплоемкость исходного и концентрированного растворов соответственно равна 3850 и 3300 дж/(кг-град). Теплотой концентрирования (дегидратации) пренебречь.

Задача VII. 23. Барометрический конденсатор выпарного аппарата работает при давлении 0,15 ат, потребляя 22,2 кг/сек охлаждающей воды; температура воды равна 18° С. Определить производительность выпарного аппарата по исходному раствору, если известно, что концентрация раствора повышается с 15 до 40%, а охлаждающая вода нагревается до 50° С.

Задача VII. 24. Двухходовой конденсатор состоит из 32 труб диаметром 38/31 мм и длиной 5 м. В межтрубном пространстве конденсируется водяной пар при атмосферном давлении, а по трубам движется вода, нагревающаяся от 7 до 80° С. Количество конденсируемого пара составляет 0,5 кг/сек. Определить коэффициент теплопередачи (отнесенный к наружной поверхности труб).

Задача VII.25. Рассчитать поверхностный теплообменник для конденсирования 1000 кг/ч водяного пара при атмосферном давлении. Для охлаждения используется вода, которая нагревается от 20 до 60°С. Тип конденсатора - кожухотрубный с трубами диаметром 25/21 мм и длиной 1,2 м. Коэффициенты теплоотдачи: на стороне воды (в трубном пространстве) α₁ = 1900 вт/(м²*град); на стороне пара α₂ = 4200 вт/(м²*град). Для металлической стенки и отложений теплопроводимость λ/б = 3500 вт/(м²*град).
Определить также число ходов для воды в трубном пространстве, необходимое для достижения значения коэффициента теплоотдачи, как можно более близкого к указанному.
Указание. Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде вычислить по формуле (У1.23).

Задача VII. 26. В поверхностном теплообменнике конденсируется насыщенный водяной пар при 50° С. Количество переданного в единицу времени тепла Q = 300 000 Вт. Охлаждающим агентом служит движущаяся по трубам диаметром 25/21 мм и длиной 3 м вода, которая нагревается от 20 до 35°С. Скорость воды должна быть выбрана так, чтобы Rе = 10000. Определить расход воды, количество труб и число ходов.
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара α₂ = 7500 вт/(м²-град); теплопроводимость стенки и отложений.

Задача VII. 27. Определить поверхность теплообмена поверхностного конденсатора для конденсации 2 кг1сек пара следующего состава: н-бутан 60 вес. % и н-гексан 40 вес. %. Конденсация происходит при 4 ат. Для охлаждения используется вода, температура которой изменяется от 20 до 50° С. Движение теплоносителей происходит смешанным током (один ход - для пара в межтрубном пространстве и два хода - для воды в трубах). Энтальпия компонентов газовой фазы при температуре насыщения: бутан i1^// = 8,0-105 дж/кг; гексан i2^// = 7,9*10⁵ дж/кг. Энтальпия конденсата: бутан i1^/ = 4,16*10⁵ дж/кг; гексан i2^/ = 3,88- 10⁵ дж/кг. Расчетное значение коэффициента теплопередачи k = 1100 вт/(м²*град).

Задача VII. 28. Рассчитать полочный конденсатор смешения для конденсации 10000 кг/ч паров воды при р = 0,22 ат. Для охлаждения используется вода при температуре 20° С. Определить диаметр конденсатора и число полок.
Указание. Максимально допустимую скорость пара в свободном сечении конденсатора принять w = 10 м/сек.