Расчёт спирального теплообменника

9

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Р.Ф.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра «Энергоснабжение и теплотехника»

Пояснительная записка к курсовому проекту на тему:

«Расчёт спирального теплообменника»



Содержание

Введение

1. Спиральный теплообменник

1.1 Конструкция и принцип работы

1.2 Технические характеристики спиральных теплообменников

1.3 Варианты конструкций спиральных теплообменников

2. Расчет спирального теплообменника

2.1 Задание на проектирование

2.2 Тепловой расчет охладителя

2.3 Конструктивный расчет охладителя

2.4 Гидромеханический расчёт охладителя



Введение

Теплообменные аппараты - устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного тела к другому через поверхности их раздела.

Теплоносители - тела, воспринимающие и отдающие теплоту.

Процессы передачи теплоты в теплообменных аппаратах могут сопровождаться изменением температуры теплоносителя или проходит без изменения таковой (испарение, конденсация, сублимация, плавление и т.д.). Также в теплообменных аппаратах могут проходить сложные процессы: растворение, кристаллизация, сушка, химические реакции и т.д.

В промышленной технике применяется большое разнообразие теплообменных аппаратов, а их вид и конструкция зависят от области применения и экономических требований.

Классификация теплообменных аппаратов:

1. по назначению: подогреватели, холодильники, испарители, конденсаторы, пароперегреватели, генераторы;

аппарат	теплоноситель	назначение
1.колорифер газовый	топочные газы	Подогрев воздуха для сушилок
2.колорифер паровой	пар	Подогрев воздуха для сушилок, воздушных завес и др.
3.рекуператор	отходящие газы печей	Подогрев воздуха и газообразного топлива для сжигания в печах
4.регенератор	отходящие газы печей	Подогрев воздуха и газообразного топлива для сжигания в печах
5. воздухоподогреватель	отходящие газы котельных	Подогрев воздуха для сжигания топлива в топках котлов
6. экономайзер	отходящие газы котельных	Для подогрева воды, для питания парового котла
7.пароперегреватель	топочные газы котельных	Перегрев пара, получаемого в паровом котле
8.котел-утилизатор	отходящие газы печей	Подогрев воды для производственных нужд или для получения пара

2. по схеме движения теплоносителя: прямоток, противоток, смешанного типа, перекрестного хода;

3. по принципу действия:

· поверхностные теплообменные аппараты, в которых обязательно участвует поверхность теплопередачи.

Теплообмен между двумя текучими средами через разделяющую их твердую стенку называется теплопередачей.

· рекуперативные теплообменные аппараты, в которых передача теплоты идет непрерывно, причем период теплообмена, количество и направление теплового потока не изменяется;

· регенеративные теплообменные аппараты, в которых процесс теплообмена проходит за несколько этапов.

При соприкосновении горячего теплоносителя со стенкой он получает теплоту и аккумулирует ее, далее пропускают холодный теплоноситель, который воспринимает аккумулированную теплоту. Для осуществления непрерывного процесса в регенераторе используют две и более камер;

· смесительные (контактные) теплообменные аппараты, в которых осуществляется непрерывное соприкосновение и смешение теплоносителей.

В промышленности такого рода теплообменные аппараты используют в оросительных камерах, кондиционерах, градирнях, скруберах и т.д.

4. по роду материала, из которого они изготовлены: сталь, чугун, стекло, керамика, стеклокерамика, графит, свинец;

5. по виду теплопередающей поверхности: пластинчатые, спиральные, оребренные, ошипованные, трубчатые: с прямыми трубами, с U образными трубами, спиральными, змеевиковыми.

6. по ходу движения теплоносителя: одноходовые и многоходовые;

7. по сборке конструкции: секционные, несекционные;

8. по компоновке поверхности нагрева: «труба в трубе», кожухные, смесительные;

9. по режиму работы: непрерывного действия, периодического действия.

1. Спиральный теплообменник

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. Вначале семидесятых конструкция спиральных теплообменников была радикально изменена и улучшена, и приобрела значительные преимущества по сравнению с конструкцией Розенблада.

1.1 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.

Возможные конфигурации потоков:

1) противоток (наиболее часто);

2) перекрестные потоки (обычно в конденсаторах и испарителях);

3) параллельные потоки (редко);

4) комбинации вышеназванных.

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:

1) широкий диапазон рабочих температур и давлений;

2) компактная конструкция (например, 700 м² в 6 м³);

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

4) высокие коэффициенты теплопередачи;

5) высокая турбулентность;

6) пониженная загрязняемость;

7) меньшее количество остановок на обслуживание;

8) высокий самоочищающий эффект при применении сильно загрязненных жидкостей;

9) легкая очистка механическим и химическим способом;

10) отсутствие ограничений при выборе величины зазора канала;

11) массовые расходы по обеим сторонам могут значительно отличаться;

12) низкие потери давления;

13) большой выбор материалов уплотнений.

1.2 Технические характеристики спиральных теплообменников

теплообменный спиральный аппарат охладитель

Монтаж и установка.

Как правило, спиральные теплообменники поставляются с опорной рамой, в которой теплообменник может свободно поворачиваться, что обеспечивает: легкий дренаж; простой доступ с целью осмотра или чистки; простоту установки и снятия крышек и уплотнений.

Стандартное исполнение патрубков спиральных теплообменников и их ориентация упрощают и удешевляют трубную обвязку, а также обеспечивает простоту выпуска воздуха из обоих каналов (с возможностью автоматизации этого процесса).

Спиральные теплообменники в применениях с суспензиями и шламами, которые требуют частого открывания, обычно оснащаются специальными поддерживающими крышки петлями.

Обслуживание и чистка.

Спиральные теплообменники практически не нуждаются в обслуживании, кроме случаев, обусловленных свойствами (характеристиками) сред и рабочими условиями. Периодически требуется выполнение следующих мероприятий (периодичность определяется применением: от раза в месяц до раза в несколько лет):

· химическая чистка (без разборки) - эффективна при одноходовой конструкции;

· механическая чистка - легко осуществляется благодаря относительно небольшой ширине каналов;

· замена уплотнений.

Эти операции могут быть выполнены персоналом заказчика без привлечения специалистов.

Экономичность спиральных теплообменников:

· низкие затраты на установку;

· небольшие площади для размещения;

· возможность интегрирования с другим оборудованием;

· простота монтажа и перемещения;

· низкие расходы на обслуживание.

Области применения спиральных теплообменников:

§ нефтепереработка (тяжелые масла, промывочные масла);

§ химическая промышленность (ПВХ, латекс, акрилацетат, TiO₂ и.т.д.);

§ отработанные сульфатные и сульфитные растворы, водные растворы SO₂, дезодорация при конденсировании);

§ очистка муниципальных и химических сточных вод (сброженный ил, термическая стерилизация, сточные и сбросные воды);

§ горнодобывающая промышленность (алюминатные щелоки, бокситные суспензии, окислы магния);

§ сталелитейные, газоперерабатывающие и коксовые заводы (бензол, промывные масла, раствор NH₃, оросительный конденсаторы);

§ текстильная промышленность (рекуперация тепла красителей и промывочных жидкостей);

§ сахарная и пищевая промышленность, пивоварение (прессовая вода, сырой сок, сточные воды, растительное масло, спирт, картофельные, зерновые или кукурузные пасты);

§ фармацевтика;

§ конденсирование (вакуумное и при нормальных условиях).

Задачи, решаемые помощью спиральных теплообменников: охлаждение; нагрев; рекуперация тепла; конденсация; испарение; термосифон; ребойлер.

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; прочее.

1.3 Варианты конструкций спиральных теплообменников

Спиральные теплообменники с противотоком или параллельным движением сред.

В общем случае этот тип теплообменников применяется для взаимодействия сред "жидкость-жидкость". Например, греющая жидкость поступает в аппарат через патрубок С, протекает по спирали и покидает аппарат через осевой патрубок D, а нагреваемая жидкость поступает в аппарат через осевой патрубок А и покидает его после протекания через спираль в противотоке греющей среде через патрубок В.

Для организации параллельного движения потоков, нагреваемая среда должна поступать через патрубок В и покидать аппарат через патрубок А.

Конструкция А-1

Это самая распространённая конструкция. Герметизацию спиралей называют при этом переменной, поскольку плоские крышки герметизируют каналы каждая со своей стороны. Доступ к обоим каналам в каждом случае возможен после демонтажа соответствующей крышки.

Конструкция А-2

Для определённых целей один из обоих каналов полностью закрывается, другой, напротив, постоянно открыт. Выбор этой конструкции оправдан, например, в том случае, когда одна из сред создаёт значительные проблемы при выборе уплотнительных прокладок, или когда использование одной среды требует частое проведение чистки с помощью механических средств или агрессивных чистящих средств. Закрытый канал недоступен для механической чистки, он может очищаться только химическими средствами. Открытый канал, напротив, может очищать с обеих сторон спирали любым способом.

Спиральные теплообменники с перекрёстным движением сред.

Эта конструкция применяется в конденсаторах, в основном при пониженном давлении, при этом значительный объём потока пара пускают через большие поперечные сечения спиралей (вдоль осей спиралей). За счёт этого достигается быстрое охлаждение пара при избежании большой потери давления.

Конструкция В-1

Охлаждающая жидкость движется по закрытому спиральному каналу. Пар подается через спираль вдоль оси спирали и охлаждается. Чистка очень простая, поскольку канал с обеих сторон доступен, если аппарат снабжён люками для чистки или съемными крышками.

Конструкция В-2

В некоторых случаях требуется приведение теплообменника в горизонтальное положение, в особенности, при использовании жидкостей, содержащих твердые частицы, волокна и т.п. во избежание их скапливания в нижней части теплообменника под действием силы тяжести. Эта конструкция дает возможность проводить механическую чистку спиралей с обеих сторон.

Конструкция В может также применятся в качестве испарителя в основании колонны. В этом случае испаряющаяся жидкость поступает в теплообменник вдоль оси спирали и течёт поперек спирального канала. Греющая среда движется по спиральному каналу.

При горизонтальном расположении, внутри кожуха, спиральные теплообменники, в который поступает пар, устанавливается горизонтальная перегородка приблизительно на 2/3 ширины спирали. В результате поступающий через верхнюю половину спирали пар вынужден выходить через её нижнюю половину. Охлаждающая жидкость поступает через боковой патрубок и покидает спиральный теплообменник через осевой патрубок.



Конструкция С

Эта конструкция применяется в качестве конденсатора в верхней части колонн, аппарата с фланцем, посаженного прямо на колонну, что минимизирует потери давления и значительно упрощает монтаж.

Существуют две различные конструкции конденсаторов для переохлаждения конденсата, инертного газа или одновременно этих двух сред. Переохлаждение возможно за счёт формирования дополнительного контура охлаждения путем герметизации в верхней части двух последних витков спирали. Пар поступает в теплообменник перпендикулярно плоскости спирали, конденсат и (или) инертный газ вынуждены вытекать через последние спиральные витки. Поперечные сечения сильно сужаются, что приводит к незначительной потере давления в конце конденсации. В то же время повышаются параметры теплообмена за счёт повышения скорости течения.



2. Расчет спирального теплообменника

2.1 Задание на проектирование

Для охлаждения этилового спирта необходимо запроектировать спиральный теплообменник, который будет работать при следующих условиях:

1) количество раствора толуола G_Р=25 т/ч = 6.97 кг/с;

2) начальная температура раствора t₁=75 ⁰С;

3) конечная температура раствора t₂=40 ⁰С;

4) температура охлаждающей воды на входе в аппарат t₃=18 ⁰С;

5) температура охлаждающей воды на выходе из аппарата t₄=36 ⁰С.

2.2 Тепловой расчет охладителя

Физические параметры теплоносителей определяют при их средних температурах.

Средняя температура этилового спирта:

⁰С,

где t₁=75 ⁰С - температура раствора на входе в охладитель; t₂=40 ⁰С - температура раствора на выходе из охладителя.

Средняя температура воды

⁰С,

где t₃=18 ⁰С - температура охлаждающей воды на входе в аппарат; t₄=36 ⁰С - температура охлаждающей воды на выходе из аппарата.



Физические характеристики теплоносителей

Физические величины	Для толуола при tр.ср=57.5 0С	Для воды при tв.ср=31,5 0С
Плотность, кг/м3	ср.=911,6	св.=995,9
Теплоемкость, кДж/(кг 0С)	ср.=3,024	св.=4,2
Теплопроводность, Вт/(м 0С)	лр.=0,442	лв.=0,593
Кинематическая вязкость, м2/с	нр.=0.97*10-6	нв.=0,96*10-6
Критерий Прандтля для среды	Prр.=6,05	Prв.=6,77

Тепловая нагрузка аппарата:

кВт,

где G_р.=6,94 кг/с - расход раствора; с_р.=3,024 кДж/(кг ⁰С) - теплоемкость раствора.

Расход охлаждающей воды составит:

кг/с,

где с_в.=4,2 кДж/(кг ⁰С) - теплоемкость воды.

Средний логарифмический температурный напор при заданных значениях температур теплоносителей рассчитывают по формуле:

,

где Дt_б. - наибольший температурный напор между теплоносителями, ⁰С; Дt_м. - наименьший температурный напор между теплоносителя, ⁰С.

Схема потоков в аппарате:



75 ⁰С 40 ⁰С

36 ⁰С 18 ⁰С

Напоры:

Дt_б.=75-36=39 ⁰С;

Дt_м.=40-18=22 ⁰С.

Средний логарифмический температурный напор

⁰С.

Эквивалентный диаметр спирального теплообменника находят по формуле

м,

где b - ширина полосы спирального теплообменника (принимается от 0,2 до 1,5 м), м; д - ширина канала (зазор между спиралями), принимается равной от 0,008 м до 0,025 м.

Задаваясь скоростью движения раствора щ_р.=1 м/с, находят площадь сечения канала теплообменника.

м²,

где с_р.=911,6 кг/м³ - плотность этилового спирта.

Отсюда эффективная высота теплообменника (эффективная ширина ленты)

м.

Принимаем ширину ленты b_e=0,7 м, тогда площадь поперечного сечения канала

м².

Действительная скорость движения этилового спирта по каналу теплообменника

м/с.

Скорость охлаждающей воды в канале теплообменника

м/с.

Критерий Рейнольдса для раствора

,

где н_р.=0,97*10^-6 - кинематическая вязкость этилового спирта.

Рассчитывают наружный диаметр спирали, м

,



где d=2r+t - внутренний диаметр спирального теплообменника, м; r=0,1 м - внутренний радиус спиралей; t=д+д_ст.=0,012+0,002=0,014 м - шаг спирали; д_ст. - толщина стенки теплообменника, принимается в зависимости от давления: при давлении до 1,0 МПа д_ст.=2 мм; N - число витков спиралей, принимаем N=20 (четное число).

м;

м.

Критическое значение числа Рейнольдса

.

Так как полученное значение Re_р.>Re^кр._р., то режим движения этилового спирта по каналам - турбулентный.

Критерий Нуссельта для раствора

,

где Pr_р.=6,05 - критерий Прандтля для этилового спирта.

Коэффициент теплоотдачи для толуола к стенке теплообменника

Вт/(м^{2 0}С),

где л_р.=0,442 Вт/(м ⁰С) - теплопроводность раствора.

Значение Рейнольдса для воды



,

где н_в.=0,96*10^-6 - кинематическая вязкость воды.

Критерий Нуссельта для воды

,

где Pr_в.=6,77 - критерий Прандтля для воды.

Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменника к охлаждающей воде

Вт/(м^{2 0}С),

где л_в.=0,593 Вт/(м ⁰С) - теплопроводность воды.

Задаваясь материалом изготовления стенок аппарата - сталь Х18Н10Т с коэффициентом теплопроводности л_ст.=16 Вт/(м ⁰С), находят коэффициент теплопередачи

Вт/(м^{2 0}С).

Поверхность теплопередачи спирального теплообменного аппарата

м².



Эффективная длина спирали

м.

Число витков обеих спиралей

,

где .

Принимают полученное значение числа витков спирали N=20 и уточняют расчет.

Наружный диаметр спирали

м.

Критерий Нуссельта для этилового спирта

.

Коэффициент теплоотдачи от этилового спирта к стенке теплообменника

Вт/(м^{2 0}С).

Критерий Нуссельта для воды



.

Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменника к охлаждающей воде

Вт/(м^{2 0}С).

Коэффициент теплопередачи от раствора к воде

Вт/(м^{2 0}С).

Поверхность теплопередачи спирального теплообменного аппарата

м².

Эффективная длина спирали

м.

2.3 Конструктивный расчет охладителя

Для определения геометрических размеров теплообменника исходят из размеров внутреннего радиуса спиралей, ширины канала (шага ленты спиралей) и ширины ленты, из которой производится навивка.

Ширина полосы, из которой изготавливается теплообменник:



мм.

Каждый виток спирали строится по двум радиусам: первый виток по радиусам r₁=r; r₂=r₁+t; второй виток по радиусам r₃=r₂+t; r₄=r₃+t и т.д.

Действительная длина листов спиралей от точек m и m? для первой спирали и от точек n и n? для второй спирали:

,

,

где а₁ - расстояние от оси спирали до точки m?; b₁ - расстояние от оси спирали до точки n?. В результате расчета к установке принимают спиральный теплообменник со следующими техническими характеристиками:

высота (ширина) теплообменника b=720 мм;

наружный диаметр D=776 мм;

эффективная длина спиралей L=14,12 м;

внутренний радиус r=100 мм;

внутренний диаметр d=214 мм;

ширина керна h=2*r=200 мм;

шаг между спиралями t=14 мм;

число витков для одной спирали n=10.

2.4 Гидромеханический расчет охладителя

Потери давления в спиральном теплообменнике со штифтами с шагом 70 мм и коридорным расположением можно определить по формуле, Па



,

где g - ускорение свободного падения, м/с²; L - длина спирали, м; с - плотность теплоносителя, кг/м³; щ - скорость теплоносителя, м/с; Re - число Рейнольдса; д - ширина канала, м.

Для этилового спирта потери напора составят

Па.

Для воды потери напора будут равны

Па.

Мощность, необходимая для преодоления гидравлических сопротивлений при прокачивании через теплообменник:

этилового спирта

Вт,

воды

Вт.

Размещено на Allbest.ru

...