Расчет спирального теплообменного аппарата
Национальный
минерально-сырьевой университет «Горный»
Кафедра
автоматизации технологических процессов и производств
КОНТРОЛЬНАЯ
РАБОТА
По
дисциплине: Гидроаэромеханика и тепломассообмен
Тема:
Расчет спирального теплообменного аппарата
Автор: Бызова А.А.
Руководитель проекта: Иванов
П.В.
Санкт-Петербург
2014
Аннотация
Данная 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 работы использовались: расчеты
произведены в среде Microsoft Excel, а пояснительная записка - в Microsoft
Word, а так же приведена конструктивная схема аппарата.
The summary
work is a task for the selection and
calculation of the spiral heat exchanger based on the initial data.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.write a 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
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
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
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: 
Тепловая нагрузка аппарата
Рассматриваемый процесс состоит из двух этапов:
Охлаждение бензола
Массовый расход бензола 
т/c
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 
.
ρ 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:
ρ 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 λстали=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:
Заключение
В работе 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
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.
.
Павлов А. Ф., Романков П. Л, Носков А. Л. Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987. 575 с.
.
Справочник по теплообменникам. М.: Энергоатомиздат. 1987. Т. I. 561 с; т. 2.
352 с.
.
Пластинчатые и спиральные теплообменники. Н. В. Барановский, Л.М. Коваленко,
А.Р. Ястребенецкий М.: Машиностроение 1973