Назначается конструкция теплообменных устройств и выполняется расчет теплообменников.

В случае прямого расчета определяется площадь теплообмена

F = Q_охл /(K·Dt_ср).

В случае поверочного - устанавливается достаточность стандартных теплообменников в аппарате сопоставлением Q_охл с действительной способностью теплообменников, определяемой уравнением

Q = K·F·Dt_ср,

где K - коэффициент теплопередачи; F - поверхность теплообмена;

Dt_ср - средняя разность температур среды и теплоносителя.

Dt_б = 17; Dt_м = 7; = > 2 тогда Dt_ср = = = 11,3

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле

,

где a₁ и a₂ - коэффициенты теплоотдачи со стороны среды и со стороны хладагента; l_ст - коэффициент теплопроводности материала аппарата; d - толщина стенки; r₁ и r₂ - термические сопротивления загрязнений на стенке.

Наибольшие сложности в расчете представляет определение коэффициентов теплоотдачи, которые определяются из критериальных зависимостей вида

Nu = f (Re,Pr,Gr),

где - критерий Нуссельта; - критерий Рейнольдса;

- критерий Прандтля; - критерий Грасгофа,

где l - коэффициент теплопроводности жидкости, v - средняя линейная скорость жидкости, m - динамическая вязкость, r - плотность, с - теплоемкость, b - температурный коэффициент объемного расширения, Dt - разность температур стенки и жидкости, L - характерный линейный размер.

К сожалению, для охлаждаемой среды одна из определяющих величин в этих уравнениях - средняя скорость потока - неизвестна. Используемая вместо нее скорость конца лопасти мешалки и замена критерия Re модифицированным Re_цб () весьма приближенно характеризуют влияние гидродинамики потока на теплопередачу.

Коэффициент теплоотдачи a₁ для трубчатого вертикального змеевика. Для турбинных мешалок с вертикальным расположением труб змеевика, которые являются одновременно отражательной перегородкой, используется формула Данлопа-Раштона, полученная для четырехлопастной турбины с прямыми лопастями

,

где n_п - число отражательных перегородок (секций змеевика);

d_тр - наружный диаметр трубы змеевика.

Тогда

Коэффициент теплоотдачи a₁ для рубашки. Коэффициент теплоотдачи от перемешиваемой среды к стенке аппарата (в аппаратах диаметром до 1,5 м) определяется зависимостью вида

Здесь D - внутренний диаметр аппарата. Значения коэффициентов С и а для различных случаев перемешивания приведены ниже в таблице 3.

Таблица 3. Значения констант уравнения для различных типов мешалок

Тип мешалки	Наличие перегородок	С	а	Reцб
Турбинная (открытая)	есть		0,67	4·103 - 106

Коэффициент теплоотдачи a₁ от газожидкостной смеси, перемешиваемой шестилопастной турбинной мешалкой, к стенке сосуда, заключенной в рубашку, рассчитывается по уравнению

,

где ; ; w_г - приведенная скорость газа.

w_г =Q_с/0,785D²=0,152/0,785*(2,4)²= 0,0336

Коэффициент теплоотдачи a₁ от газожидкостной смеси к стенке корпуса барботажного аппарата или его теплообменного элемента (вертикальной или горизонтальной трубы) может быть рассчитан по следующим формулам:

при К_б £18;

при К_б >18,

где ; w_г - приведенная скорость газа в аппарате.

w_г =Q_с/0,785D² w_г =0,152/0,785*(2,4)²= 0,0336

 

Коэффициент теплоотдачи a₂ для трубчатого змеевика. Коэффициент теплоотдачи от стенки змеевика, выполненного в виде пучка труб, к охлаждающей воде при Re >10000

,

V_ж=4.W=1,98/4.1000=0,5.10^-3

v=V_ж/0,785.d²_тр=0,5.10^-3/0,785.0,06²=0,18

Коэффициент теплоотдачи a₂ для рубашки. Коэффициент теплоотдачи теплоносителя, протекающего в рубашке из полутруб или в прямоугольном сечении секционированной рубашки при развитом турбулентном режиме (Re >10000), рассчитывается по уравнению

,

где e - коэффициент, учитывающий искривленность каналов, e=1+3,54d_э/D;

d_э - эквивалентный диаметр канала; D - диаметр витка полутрубы или аппарата.

d_э = 0,6 d_тр = 0,6. 0,063 = 0,038

e=1+3,54d_э/D = 1+3,54.0,038/2,4 =1,056

Теплоотдача внутри простой цилиндрической рубашки происходит в условиях естественной конвекции и рассчитывается по формуле

Nu = aH_р/l = С(Gr Pr)^a,

где С=0,76 и а=0,25 при 10³< GrPr <10⁹; С=0,15 и а=0,33 при GrPr >10⁹.

Если в качестве теплоносителя используется вода, произведение GrPr рассчитывается по упрощенной зависимости

,

где Н_р - высота стенки сосуда, заключенной в рубашку, м; t_ст - температура стенки сосуда, ^оС; t_ср - средняя температура теплоносителя (воды) в рубашке, ^оС.

При ориентировочных расчетах: t_ср=(t₁ + t₂)/2 и t_ст=(t_к + t_ср)/2.

t_ср=(t₁ + t₂)/2 = (13+23)/2 =18

t_ст=(t_к + t_ср)/2 = (30+18)/2 = 24

Nu = aH_р/l = 0,15.(Gr Pr)^0,33 = 0,15.()^0,33 = 1970

Коэффициент В в зависимости от t_ср имеет следующие значения:

tср, оС...
В·10-9...	2,64	8,0	15,5	27,0	39,0	68,0

Для трубчатого змеевика

F = Q_охл /(K·Dt_ср) = 86,2. 10³/(479,3·11,3) = 15,9

Для простой рубашки

F_расч= Q_охл /(K·Dt_ср) = 86,2. 10³/(298,1·11,3) = 25,6

Площадь стандартной рубашки F_ст= 26,5 м², что несколько больше расчетной.

 

Для рубашки из полутруб

F_расч= Q_охл /(K·Dt_ср) = 86,2. 10³/(537,1·11,3) = 14,2

Площадь стандартной рубашки из полутруб F_{ст.полутруб}= F_апп/2 =39,8/2= 19,9м², что превышает расчетную величину

Используемая литература

1. Александровский, С.А. Расчет основного оборудования микробиологических производств: учеб. пособие / С.А. Александровский. - Казан. гос. технол. ун-т. Казань, 2002. 64 с.

2. Иванов, В.Н. Стехиометрия и энергетика микробиологических процессов / В.Н. Иванов, Е.В. Стабникова. – Киев: Наукова думка, 1987. – 152 с.

3. Лащинский, А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: справочник./ А.А. Лащинский. – Л.: Машиностроение, 1981. – 382 с.

4. Рабинович, В.А. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. Под ред. А.А. Потехина и А.И. Ефимова. – 3-е изд. – Л.: Химия, 1991. – 432 с.

5. Доманский, И.В. Машины и аппараты химических производств: примеры и задачи. Учеб. пособие / И.В. Доманский, В.П. Исаков, Г.М. Островский и др. Под ред. В.Н. Соколова. – Л.: Машиностроение, 1982. – 384 с.

6. Гапонов, К.П. Процессы и аппараты микробиологических производств / К.П. Гапонов. – М.: Легкая и пищевая пром-ть, 1975. – 240 с.

7. Васильцов, Э.А. Аппараты для перемешивания жидких сред: справочное пособие / Э.А. Васильцов, В.Г. Ушаков. – Л.: Машиностроение, 1979. – 272 с.

8. Соколов, В.Н. Аппаратура микробиологической промышленности / В.Н. Соколов, М.А. Яблокова.. – Л.: Машиностроение, 1988. – 278 с.