Расчет спирального теплообменного аппарата

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

По дисциплине:                        Гидроаэромеханика и тепломассообмен ___________

                                                       (наименование учебной дисциплины  согласно учебному плану)

   

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

 

 

Тема:                        Расчет спирального теплообменного аппарата                       .     

 

 

 

 

 

Автор: студентка гр.  АПМ-12         __________________________ / Бызова А.А./

                          (подпись)     (Ф.И.О.)

 

 

ОЦЕНКА: _________________

 

Дата: _____________________

 

ПРОВЕРИЛ:_______________

 

Руководитель проекта:       доцент     _____________________   / Иванов П.В. /

                (должность)                      (подпись)                                 (Ф.И.О.)

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2014

 

 

 

Аннотация

 

Данная курсовая работа представляет собой задачу по выбору и расчету спирального теплообменного аппарата на основе начальных данных.

В данной работе были проведены расчеты для выбора теплообменника, а именно: расчет тепловой нагрузки, скорость теплоносителя в трубах, расход воды, критерии Рейнольдса (Re), критерии Нуссельта (Nu), коэффициенты теплоотдачи обоих теплоносителей.

Для написания курсовой работы использовались: расчеты произведены в среде Microsoft Excel, а пояснительная записка -  в Microsoft Word, а так же приведена конструктивная схема аппарата.

 

 

The summary

 

This course work is a task for the selection and calculation of the spiral heat exchanger based on the initial data.

In this paper, calculations were carried out to select a heat exchanger, namely, the calculation of heat load, the speed of the coolant in the pipes, the water flow, the Reynolds number (Re), Nusselt number (Nu), the heat transfer coefficients.

To write a term paper used: calculations are made in the environment of Microsoft Excel, the Explanatory Note - in Microsoft Word, and also shows a structural diagram of the apparatus.

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

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

 

Расчет спирального теплообменника

 

    1. Определяем среднюю  разность температур

 

Пусть и  – начальная и конечная температуры воды, а tбн и tбк – начальная и конечная температуры бензола.   температура конденсации бензола

Тогда большая и меньшая разность температур соответственно равны:

Δtб=100-40=60 ºC        Δtм=80-23=57ºC

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

Средняя температура воды:

Средняя температура бензола:

2. Тепловая нагрузка аппарата

Рассматриваемый процесс состоит из двух этапов:

1) Охлаждение  бензола

 Вт

Массовый расход бензола т/c 

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

2) Конденсация бензола:

 Вт

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

Общая теплота: Вт

3.Расход воды

 

кг/с

Удельная теплоемкость воды св = 4190 Вт/кг∙К

  4. Размер каналов и скорость 

Эквивалентный диаметр спирального теплообменника определяем по формуле: м

Пусть скорость движения бензола .

ρ бензола при 90 = 807 кг/м3

Находим площадь сечения:

             м2

Откуда эффективная высота теплообменника (эффективная ширина ленты):

  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:

ρ воды = 998 кг/м3

 м/с

 

     5. Критерий Re

 

            1) для бензола:

Коэффициент кинематической вязкости м2/с

 

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

  

2) для воды

Коэффициент кинематической вязкости м2/с

 

 

6. Коэффициент теплоотдачи

 

1) Определяем коэффициент теплоотдачи от бензола к стенке:

Критерий Прандтля Pr=6,1

Коэффициент теплопроводности бензола Вт/м2∙К

Критерий Нуссельта:

Откуда, Вт/м2∙К

2) Определяем  коэффициент теплоотдачи от воды  к стенке:

Критерий Прандтля Pr=5,93

Коэффициент теплопроводности воды Вт/м2∙К

Критерий Нуссельта:

Откуда, Вт/м2∙К

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

 Вт/м2∙К

 

7. 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

 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

 

8. Потери напора 

 

Определим потерю напора теплоносителями при прохождении через каналы спирального теплообменника

 Па

Для охлаждающей воды потеря напора:

 Па

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В курсовом проекте был произведён расчёт спирального теплообменника. На основании расчетных данных был подобран спиральный теплообменник  для конденсации 1000 кг/ч бензола с основными приблизительными размерами аппарата:

– толщина стенки δ2=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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чертеж предполагаемого спирального теплообменника

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

 

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