8.2. Пример расчета пластинчатого подогревателя

Подобрать пластинчатый теплообменник для нагревания 40000 кг/ч бензола от температуры 30 ºС до температуры 75 ºС. Греющая среда – вода. Начальная температура воды 90 ºС конечная температура воды 60 ºС. Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5 % от полезной теплоты.

8.2.1. Схема аппарата представлена на рис. 8.15.

1 – Вход греющей среды; 2 – Выход греющей среды; 3 – Выход нагреваемой среды; 4 – Вход нагреваемой среды

Рис. 8.15. Схема одноходового пластинчатого подогревателя

8.2.2. Средняя движущая сила процесса. Бензол нагревается от 30 до 75 ºС. Вода охлаждается от 90 до 60 ºС. Теплоносители движутся в противотоке (рис. 8.16).

S (l)

30 ºС

t

75 ºC

∆t_б

∆t_м

60 ºС

90 ºС

Рис. 8.16. График изменения температур теплоносителей в подогревателе

ºС; ºС;

.

Отношение , значит, средняя движущая сила процесса будет рассчитана как среднелогарифмическое.

ºС.

8.2.3. Тепловая нагрузка и расход греющей воды. Составим уравнение теплового баланса. Часть тепла от воды переходит через стенку в окружающую среду.

.

Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:

;

;

.

Удельная теплоемкость бензола при средней температуре потока равной °С составит Дж/(кг·К).

Удельная теплоемкость воды при средней температуре потока равной °С составит Дж/(кг·К) [14].

Определим расход греющей воды:

кг/с.

Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:

Вт.

8.2.4. Подбор аппарата. В соответствии с приложением 8 СП 41-101-95 выберем теплообменный аппарат с пластинами типа 0,6 р, имеющий характеристики, приведенные в таблице 8.1.

Таблица 8.1 – Характеристики пластинчатого теплообменного

аппарата с пластинами типа 0,6 р

Показатель	Значение
Габариты (длина × ширина × толщина), мм	1375×600×1
Поверхность теплообмена, м2	0,6
Масса, кг	5,8
Эквивалентный диаметр канала, м	0,0083
Площадь поперечного сечения канала, м2	0,00245
Смачиваемый периметр в поперечном сечении канала, м	1,188
Ширина канала, мм	545
Зазор для прохода рабочей среды в канале, мм	4,5
Приведенная длина канала, м	1,01
Площадь поперечного сечения коллектора (угло­вое отверстие на пластине), м2	0,0243
Наибольший диаметр условного прохода присоеди­няемого штуцера, мм	200
Коэффициент общего гидравлического сопротив­ления	15 /Re0,25
Коэффициент гидравлического сопротивления шту­цера x	1,5
Коэффициенты: А Б	0,492 3,0

8.2.5. Оптимальное соотношение числа ходов. Определим оптимальное соотношение числа ходов для греющей Х_вода и нагреваемой Х_бензол среды находится по формуле [24]:

,

где – число ходов для греющей воды;

– число ходов для нагреваемого бензола;

– расход греющей воды, кг/с;

– расход нагреваемого бензола, кг/с;

– потери давления для греющей воды, Па;

– потери давления для нагреваемого бензола, Па;

– средняя температура бензола, °С;

– средняя температура воды, °С.

.

Полученное соотношение ходов не превышает 2, значит для повышения скорости потоков и, следовательно, для эффективности теплообмена целесообразна симметричная компоновка пластинчатого подогревателя (рис. 8.17).

Рис. 8.17. Схема симметричной компоновки пластинчатого

теплообменика

8.2.6. Количество каналов для нагреваемой среды. Определим требуемое количество каналов по нагреваемому бензолу по формуле [24]:

,

где – количество каналов по нагреваемому бензолу;

– расход бензола, кг/с

– оптимальная скорость бензола в канале, м/с;

– живое сечение одного межпластинчатого канала, м²;

– плотность бензола при средней температуре потока, кг/м³.

При расчете оптимальная скорость нагреваемой среды в канале [24] принимается равной 0,4 м/с.

Плотность бензола при средней температуре потока равной °С составит кг/м³ [14].

.

8.2.7. Общая площадь живого сечения каналов в пакете для греющей и нагреваемой среды. Компоновка подогревателя симметричная, то есть количество каналов для нагреваемой среды будет равно количеству каналов для греющей среды и следовательно общие площади живых сечений каналов в пакетах для греющей и нагреваемой среды будут равны. Общие площади живых сечений каналов в пакетах будут рассчитываться по следующей формуле:

,

где – общая площадь живого сечения каналов в пакете для греющей воды, м²;

– общая площадь живого сечения каналов в пакете для нагреваемого бензола, м².

м².

8.2.8. Фактические скорости греющей и нагреваемой среды определяются по формуле:

,

где – фактическая скорость среды, м/с;

– массовый расход среды, кг/с

– общая площадь живого сечения каналов в пакете среды, м²;

– плотность среды при средней температуре потока, кг/м³.

Фактическая скорость нагреваемого бензола:

м/с.

Плотность воды при средней температуре потока равной °С составит кг/м³. Тогда фактическая скорость греющей воды составит:

м/с.

8.2.9. Схема теплопередачи через стенку пластины представлена на рис. 8.18.

Рис. 8.18. Схема теплопередачи через стенки пластин подогревателя

8.2.10. Расчёт коэффициента теплоотдачи. Коэффициенты теплоотдачи для греющей воды и нагреваемого бензола рассчитываются по следующей формуле [24]:

,

где – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К);

– коэффициент, зависящий от типа пластин, 0,492;

Тогда коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины составит:

Вт/(м²·К).

Коэффициент теплоотдачи для нагреваемого бензола составит:

Вт/(м²·К).

8.2.11. Расчет коэффициента теплопередачи:

,

где – термические сопротивления стенки с учетом загрязнении, (м² · К)/Вт.

Термические сопротивления стенки с учетом загрязнении рассчитываются по формуле:

_,

_{где – термические сопротивления загрязнений со стороны греющей воды, (м}²_·К)/Вт [14]_;

_{– термические сопротивления загрязнений со стороны нагреваемого бензола, (м}²_·К)/Вт [14]_;

_{– толщина стенки, м;}

_{– теплопроводность материала стенки, для нержавеющей стали 17,5 Вт/(м·К)} [14]_.

_(м²_·К)/Вт.

Тогда коэффициент теплопередачи от греющей воды к нагреваемому бензолу составит:

Вт/(м²·К).

8.2.12. Площадь поверхности теплопередачи. Необходимая площадь поверхности теплопередачи рассчитывается по формуле:

м².

8.2.13. Количество ходов в теплообменном аппарате. Количество ходов в пластинчатом теплообменном аппарате рассчитывается по формуле [24]:

,

где – количество ходов в пластинчатом теплообменном аппарате;

–поверхность нагрева одной пластины, м².

Тогда количество ходов в пластинчатом теплообменном аппарате составит:

.

Примем число ходов равным двум.

8.2.14. Действительная поверхность нагрева для всего подогревателя рассчитывается по формуле [24]:

,

где – действительная площадь поверхности нагрева, м².

м².

8.2.15. Потери давления в пластинчатом теплообменнике. Потери давления в пластинчатом теплообменном аппарате рассчитываются по формуле [24]:

,

где – потери давления в пластинчатом теплообменном аппарате, кПа;

– коэффициент, учитывающий накипеобразование;

– коэффициент, зависящий от типа пластины, равняется 3.

Коэффициент учитывающий накипеобразование, для греющей сетевой воды принимается равным единице, а для нагреваемой среды должен приниматься по опытным данным, при отсутствии таких данных можно принимать равным от 1,5 до 2,0 [24].

Тогда потери давления в пластинчатом теплообменном аппарате для греющей воды составят:

кПа.

Потери давления в пластинчатом теплообменном аппарате для нагреваемого бензола составят:

кПа.

В результате расчета в качестве подогревателя принимаем пластинчатый теплообменный аппарат разборной конструкции (Р) с пластинами типа 0,6р, толщиной 1 мм из стали 12Х18Н10Т (исполнение 01) на двухопорной раме (исполнение 2К) с уплотнительными прокладками из резины марки 4326-Г (условное обозначение 1). Поверхность нагрева теплообменного аппарата составляет 32,4 м². Условное обозначение такого аппарата: Р 0,6р-1-32,4-2К-01-1, его габариты 605×750×1800 мм [24].