Расчет спирального теплообменного аппарата - Контрольная работа

Спиральные теплообменники - аппараты, состоящие из 2-х каналов прямоугольного сечения, образованных свернутыми в спирали двух листов металла. Спиральный теплообменник был изобретен в двадцатых годах прошлого века шведским инженером Розенбладом для использования в целлюлозно-бумажной промышленности. Несмотря на изменяющиеся массовые расходы и различия в требуемых температурах, спиральный теплообменник зачастую позволяет осуществлять теплопередачу в одном и том же устройстве на разных режимах и неполной нагрузке. По сути, спиральные теплообменники представляют собой длинные щелевые однопроточные каналы, свернутые в спираль. Таким образом, в спиральных теплообменниках может быть достигнута практически любая тепловая длина взаимодействия двух сред, а значит и разность температур потоков меньше 3°С.В работе был произведен расчет спирального теплообменника.

Оглавление

Введение

Конструкция и принцип работы

Преимущества спиральных теплообменников

Задачи, решаемые помощью спиральных теплообменников

Рабочие среды спиральных теплообменников

Исходные данные

Расчет спирального теплообменника

Заключение

Список использованной литературы

Спиральные теплообменники - аппараты, состоящие из 2-х каналов прямоугольного сечения, образованных свернутыми в спирали двух листов металла. Листы служат поверхностями теплообмена. Внутренние концы спиралей соединены разделительной перегородкой, а расстояние между ними фиксируется штифтами. Спиральный теплообменник был изобретен в двадцатых годах прошлого века шведским инженером Розенбладом для использования в целлюлозно-бумажной промышленности. Эти теплообменники впервые позволили обеспечить надежную теплопередачу между средами, содержащими твердые включения. В начале семидесятых конструкция спиральных теплообменников была радикально изменена и улучшена, и приобрела значительные преимущества по сравнению с конструкцией Розенблада.

Конструкция и принцип работы

Два или четыре длинных металлических листа укладываются спиралью вокруг центральной трубы, образуя два или четыре однопроточных канала. Для того, чтобы обеспечить постоянную величину зазоров к одной стороне листов привариваются разделительные шипы. Центральная труба при помощи специальной перегородки разделена на две камеры, которые образуют входной и выходной коллектора. Скрученные спирали помещаются в цилиндрический кожух. Внешние концы спиральных листов привариваются вдоль образующей обечайки. Для выхода каналов наружу в местах фиксации краев каналов в кожухе просверливаются отверстия, которые герметично закрываются входным и выходным коллекторами с присоединительными патрубками. Движение потоков в спиральных теплообменниках происходит по криволинейным каналам близким по форме к концентрическим окружностям. Направление векторов скоростей движения потоков постоянно претерпевают изменение. Геометрия каналов и разделительные шипы создают значительную турбулентность уже при низких скоростях потоков, при этом улучшается теплопередача и уменьшается загрязнение. Все это обуславливает компактность конструкции спиральных теплообменников, которые могут быть интегрированы с любой технологической линией, что значительно сокращает затраты на установку. Благодаря прочной и жесткой цельносварной конструкции, а так же тому, что спиральные теплообменники мало подвержены загрязнению, затраты на их обслуживание сведены до минимума. Спиральные теплообменники часто являются наиболее оптимальным и экономичным решением задач теплообмена. Поскольку геометрия каналов может быть изменена в широких пределах, спиральные теплообменники действительно оптимально адаптируются к требованиям Заказчика. Несмотря на изменяющиеся массовые расходы и различия в требуемых температурах, спиральный теплообменник зачастую позволяет осуществлять теплопередачу в одном и том же устройстве на разных режимах и неполной нагрузке. По сути, спиральные теплообменники представляют собой длинные щелевые однопроточные каналы, свернутые в спираль. Таким образом, в спиральных теплообменниках может быть достигнута практически любая тепловая длина взаимодействия двух сред, а значит и разность температур потоков меньше 3°С. При этом, в спиральных теплообменниках возможен нагрев или охлаждение "проблемных" технологических сред, для которых недопустимы резкие повороты потоков, провоцирующие блокировку каналов. В спиральных теплообменниках существует большое разнообразие вариантов изготовления разделительных перегородок центральной трубы. Каждый адаптирован к выполнению определенных задач и позволяет выбрать оптимальное решение для любого применения. Важная особенность конструкции предлагаемых спиральных теплообменников - это использование непрерывных (цельных) металлических листов от центральной трубы до кожуха, что позволяет практически полностью исключить сварные швы и внутри, и в труднодоступных местах теплообменников.

Преимущества спиральных теплообменников

Широкий диапазон рабочих температур и давлений;

Компактная конструкция (например, 700 м2 в 6 м3);

Широкий рабочий диапазон ( 10 - 100% от расчетной нагрузки);

Высокие коэффициенты теплопередачи;

Высокая турбулентность;

Пониженная загрязняемость;

Меньшее количество остановок на обслуживание;

Высокий самоочищающий эффект при применении сильно загрязненных жидкостей;

Легкая очистка механическим и химическим способом;

Отсутствие ограничений при выборе величины зазора канала;

Массовые расходы по обеим сторонам могут значительно отличаться;

Низкие потери давления;

Задачи, решаемые помощью спиральных теплообменников

Охлаждение;

Нагрев;

Рекуперация тепла;

Конденсация;

Испарение;

Термосифон;

Рабочие среды спиральных теплообменников жидкости;

суспензии;

жидкости, содержащие волокна и твердые частицы;

вязкие жидкости;

неньютоновские жидкости, включая различные гидросмеси, растворы полимеров;

сточные воды;

пары с инертными газами и без них;

Исходные данные

Выполнить расчет спирального теплообменника для конденсации 1000 кг/ч бензола с начальной температурой 100 С.

Расчет спирального теплообменника

Определяем среднюю разность температур

Пусть и - начальная и конечная температуры воды, а тбн и тбк - начальная и конечная температуры бензола. температура конденсации бензола

Тогда большая и меньшая разность температур соответственно равны: ?tб=100-40=60 ?C ?tм=80-23=57?C

Отношение = , следовательно, среднюю разность температур считаем по формуле:

Средняя температура воды: Средняя температура бензола: Тепловая нагрузка аппарата

Рассматриваемый процесс состоит из двух этапов: Охлаждение бензола

Вт

Массовый расход бензола т/с

Удельная теплоемкость бензола сб при 90 = 2241,65 Дж/кг•К

Конденсация бензола:

Вт

Удельная теплота конденсации бензола rб при 90 = 95,54196 Дж/кг

Общая теплота: Вт

Расход воды кг/с

Удельная теплоемкость воды св = 4190 Вт/кг•К

Размер каналов и скорость

Эквивалентный диаметр спирального теплообменника определяем по формуле:

м

Пусть скорость движения бензола . ? бензола при 90 = 807 кг/м3

Находим площадь сечения: м2

Откуда эффективная высота теплообменника (эффективная ширина ленты): спиральный теплообменник нагрузка скорость м (n=0,4 по ГОСТ 12067-80)

Принимаем ширину ленты b=0,3 м ,тогда площадь поперечного сечения канала f=0,012 м2. Действительная скорость движения бензола по каналу теплообменника: Действительная скорость движения бензола по каналу теплообменника: м/с

Действительная скорость движения воды по каналу теплообменника: ? воды = 998 кг/м3 м/с

Критерий Re для бензола: Коэффициент кинематической вязкости м2/с

Приняв диаметр спирали теплообменника Dc=1 м, по формуле находим критическое значение для воды

Коэффициент кинематической вязкости м2/с

Коэффициент теплоотдачи

Определяем коэффициент теплоотдачи от бензола к стенке: Критерий Прандтля Pr=6,1

Коэффициент теплопроводности бензола Вт/м2•К

Критерий Нуссельта:

Вт/м2•К

Определяем коэффициент теплоотдачи от воды к стенке: Критерий Прандтля Pr=5,93

Коэффициент теплопроводности воды Вт/м2•К

Критерий Нуссельта:

Вт/м2•К

Задаваясь толщиной стенки спирального теплообменника м и материалом стенки из стали с коэффициентом теплопроводности ?стали=16 Вт/м•К, находим значение коэффициента теплопередачи: Вт/м2•К

Конструктивный расчет

Находим поверхность теплообмена спирального теплообменника м2

Длина листов спирали определяется из соотношения: b=0,03 м (эффективная ширина ленты) м2

Определим число витков спирали, необходимое для получения эффективной длины: м м

Определяем наружный диаметр спирали теплообменника с учетом толщины листа: м

Зная наружный диаметр спирали, находим критическое значение Re:

Таким образом, для бензола Re=38250 > Reкрит=13650;

для воды Re=71550 > Reкрит =24900

Потери напора

Определим потерю напора теплоносителями при прохождении через каналы спирального теплообменника

Па

Для охлаждающей воды потеря напора: Па

В работе был произведен расчет спирального теплообменника. На основании расчетных данных был подобран спиральный теплообменник для конденсации 1000 кг/ч бензола с основными приблизительными размерами аппарата: - толщина стенки ?2=0,004 м

- длина листов спирали L=52,084 м2

- поверхность теплообмена F=3,125 м2

- площадь сечения канала теплообменника f=0,012 м2

- число витков спирали n=15,721

- наружный диаметр спирали Dc=1,083 м

- ширина листа b=0,03 м

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И, Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991 - 496 с.

2. Павлов А. Ф., Романков П. Л, Носков А. Л. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987. 575 с.

3. Справочник по теплообменникам. М.: Энергоатомиздат. 1987. Т. I. 561 с; т. 2. 352 с.

4. Пластинчатые и спиральные теплообменники. Н. В. Барановский, Л.М. Коваленко, А.Р. Ястребенецкий М.: Машиностроение 1973

Размещено на .ru