теплоотдача. Рекуперативные теплообменные аппараты
 Скачать 3.22 Mb.
|
3.2 Расчет спирального теплообменника3.2.1 Устройство спирального теплообменникаСпиральные теплообменники – аппараты, в которых каналы для теплоносителей образованы двумя свернутыми в спирали на специальном станке листами (рис. 16). Расстояние между ними фиксируется приваренными бобышками или штифтами. Навивку спиральных теплообменников производят из рулонной стали шириной 0,2…1,5 м с поверхностями нагрева3,2…100 м2 при расстоянии между листами 8…12 мм и толщине стенок 2 мм для давления до 0,3 МПа и 3 мм – до 0,6 МПа. Зарубежные фирмы изготовляют специальные теплообменники из рулонного материала(углеродистых и легированных сталей, никеля, титана, алюминия, их сплавов и некоторых других) шириной 0,1…1,8 м, толщиной 2…8 мм при расстоянии между листами 5…25 мм. Поверхности нагрева составляют 0,5…160 м2.  Рис. 16. Спиральный теплообменник: а — принципиальная схема спирального теплообменника; б — способы соединения спиралей с торцевыми крышками Спиральные теплообменники устанавливают по штуцерам горизонтальнои вертикально. Их часто монтируют блоками по 2, 4, 8 аппаратов и применяют для нагревания и охлаждения жидкостей и растворов. Вертикальные аппараты используют также для конденсации чистых паров и паров из парогазовых смесей. В последнем случае на коллекторе для конденсата имеется штуцер для удаления неконденсирующегося газа. Задание [14]. Для охлаждения 20%-го раствора КOH необходимо запроектировать спиральный теплообменник, который будет работать при следующих условиях: 1) количество раствора КOH Gр = 35 т/ч ; 2) начальная температура раствора t1 = 90 ºС; 3) конечная температура раствора t2 = 50 ºС; 4) температура охлаждающей воды на входе в аппарат t3 = 20 ºС; 5) температура охлаждающей воды на выходе из аппарата t4 = 40 ºС. 3.2.2 Тепловой расчет охладителяФизические параметры теплоносителей определяют при их средних температурах. Средняя температура раствора КOH  где t1 = 90 °С – температура раствора на входе в охладитель; t2 = 50 °С – температура раствора на выходе из охладителя. Средняя температура воды  где t3 = 20 ºС – температура охлаждающей воды на входе в аппарат; t4 = 40 ºС – температура охлаждающей воды на выходе из аппарата. Для дальнейшего расчета данные физических параметров принимают для воды (прил. 2, табл. 2), раствора КOH – по прил. 2, табл. 13 и рис. 3, 4, 5. Данные выписывают в табл. 3. Таблица 3 – Физические характеристики теплоносителей
Тепловая нагрузка аппарата  где Gр = 9,72 кг/с –– расход раствора КOH; ср = 3,73 кДж/(кг·°С) –– теплоемкость раствора. Расход охлаждающей воды составит  где св = 4,174 кДж/(кг·°С) –– теплоемкость воды. Средний логарифмический температурный напор при заданных значениях температур теплоносителей рассчитывают по формуле  где Δtб –– наибольший температурный напор между теплоносителями, °С; Δtм –– наименьший температурный напор между теплоносителями, °С. Схема потоков в аппарате: 0 °С→50 °С; 40 °С←20 °С. Температурные напоры   Средний логарифмический температурный напор  Задаваясь скоростью движения раствора  = 1 м/с (скорость движения теплоносителей в спиральных каналах не должна превышать: для жидкостей – 3,для пара – 70 и для газа – 30 м/с), находят площадь сечения канала теплообменника где ρр = 1160 кг/м3 –плотность раствора КOH. Отсюда эффективная высота теплообменника (эффективная ширина ленты) bе = f/ δ = 0,00838/0,012 = 0,698 м. Принимаем ширину ленты be = 0,7 м (прил. 2, табл. 15), тогда площадь поперечного сечения канала f = beδ = 0,012 ⋅ 0,7 = 0,0084м2. Эквивалентный диаметр спирального теплообменника находят по формуле  где b – ширина полосы спирального теплообменника (принимается0,2…1,5), м; δ – ширина канала (зазор между спиралями), принимается равной 0,008…0,025 м (см. прил. 2, табл. 15). Действительная скорость движения раствора КOH по каналу теплообменника  Скорость охлаждающей воды в канале теплообменникам/с.  Критерий Рейнольдса для раствора  где νр = 0,71·10–6 –– кинематическая вязкость раствора КOH. Рассчитывают наружный диаметр спирали (рис. 7), м  где d = 2r + t – внутренний диаметр спирального теплообменника, м; r = = 0,15 м – внутренний радиус спиралей (см. прил. 2, табл. 15); N – число витков спиралей, принимаем N = 24 (четное число); t = δ + δс = 0,012 + + 0,004 = 0,016 м – шаг спирали; δс – толщина стенки теплообменника, при- нимается в зависимости от давления: при давлении до 0,3 МПа δс = 2 мм, при давлении до 0,6 МПа δс = 3 мм.    Рис. 17. Схема к расчету геометрических размеров спирального теплообменника Критическое значение числа Рейнольдса  Так как полученное значение  > , то режим движения раствораКOH по каналам аппарата –– турбулентный.Критерий Нуссельта для раствора   где Prр = 4,16 –– критерий Прандтля для раствора КOH. Коэффициент теплоотдачи от раствора КOH к стенке теплообменника  где λр = 0,667 Вт/(м·°С) –– теплопроводность раствора. Значение Рейнольдса для воды  где νв = 0,805·10–6 –кинематическая вязкость воды. Критерий Нуссельта для воды где Prв = 5,41 –– критерий Прандтля для воды. Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменника к охлаждающей воде  где λв = 0,618 Вт/(м·°С) – теплопроводность воды. Задаваясь материалом изготовления стенок аппарата –– сталь Х18Н10Тс коэффициентом теплопроводности λс = 16 Вт/(м·°С), находят коэффициент теплопередачи  Поверхность теплопередачи спирального теплообменного аппарата  Эффективная длина спирали  Число витков обеих спиралей  где  Принимают полученное значение числа витков спирали N = 14 и уточняют расчет. Наружный диаметр спирали D = 0,316 + 2 ⋅14,2 ⋅ 0,016 + 0,002 = 0,772 м. Критерий Нуссельта для раствора КOH   Коэффициент теплоотдачи от раствора КOH к стенке теплообменника  Критерий Нуссельта для воды   Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменника к охлаждающей воде  Коэффициент теплопередачи от раствора к воде  Поверхность теплопередачи спирального теплообменного аппарата  Эффективная длина спирали  3.2.3 Конструктивный расчетДля 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 b = bэ + 20 = 700 + 20 = 720 мм. Каждый виток спирали строится по двум радиусам (см. рис. 7): первый виток по радиусам  второй виток по радиусам  и т. д.Действительная длина листов спиралей от точек  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 теплообменниксо следующими техническими характеристиками: высота (ширина) теплообменника b = 720 мм; наружныйдиаметр D = 1088 мм; эффективная длина спиралей L = 14,3 м; внутреннийрадиус r = 150 мм; внутреннийдиаметр d = 316 мм; ширина керна h = 2r = 300 мм; шаг между спиралями t = 16 мм; число витков для одной спирали n = 7. 3.2.4 Гидромеханический расчет охладителяПотери давления в спиральном теплообменнике со штифтами с шагом 70 мми коридорным расположением можно определить по формуле, Па  где g – ускорение свободного падения, м/с2; L – длина спирали, м; ρ –плотность теплоносителя, кг/м3; ω – скорость теплоносителя, м/с; Re –число Рейнольдса; δ – ширина канала, м. Для 20%-го раствора NaOH потери напора составят  Для воды потери напора будут равны  Мощность, необходимая для преодоления гидравлических сопротивленийпри прокачивании через теплообменник 20%-го раствора NaOH  Воды  |
