2.6. Спіральні теплообмінники

Спіральні теплообмінні апарати згідно з ГОСТ 12067 мають площу поверхні теплообміну від 10 до 100 м². Вони експлуа­ту­ються при тиску до 1 МПа і температурах від мінус 20 до плюс 200 ºС. Матеріали для виготовлення ті самі, що і для кожухо­труб­частих або змійовикових теплообмінників. Приклад розра­хун­ку спірального теплообмінника наведено у додатку Г.

Зазор між спіралями t варіюється в межах 6…20 мм (рис. 2.12). Типові теплообмінники виготовляють із зазором 7, 10 і 12 мм, товщина листа мм. Спіралі приварюються до однієї кришки. Іншу кришку встановлюють з плоскою про­кладкою чи із спіральними прокладочними манжетами U-подіб­ного перерізу. Внутрішні кінці спіралей приварюються до керна. Висота спіралі 0,25…1,5 м.

Рисунок 2.12 – Спіральний теплообмінник:

1 – спіраль; 2 – кришка; 3 – розділова перегородка (керн); 4 – прокладка; 5 – манжета U-подібної форми

Під час конструювання теплообмінника відстані між спіраля­ми слід робити однаковими для обох середовищ. Ширину керна b_к беруть 250…350 мм. Задають товщину листа спіралі δ і ши­ри­ну каналу b. Внутрішній радіус першого піввитка спіралі роз­ра­ховують за формулою:

   (2.20)

Внутрішній радіус другого піввитка:

   (2.21)

де

Внутрішній радіус третього піввитка:

n-го:    (2.22)

Ефективну висоту спіралі h_c визначають, виходячи з масової витрати однієї з робочих рідин М₁ (або G₁), швидкості її руху w₁, її густини ₁ і ширини каналів:

   (2.23)

Ефективна довжина стрічки кожної спіралі (за середньою лінією листа) визначається за формулою:

   (2.24)

де п – кількість повних витків спіралі;

r₁ – внутрішній радіус першого піввитка спіралі, м;

t – крок спіралі.

Кількість повних витків n кожної спіралі визначають за фор­мулою, що випливає із (2.24):

   (2.25)

Формулу (2.25) можна записати у вигляді:

    (2.26)

Кількість витків обох спіралей

   (2.27)

де L – ефективна довжина однієї спіралі;

d = 2r₁ + t – внутрішній діаметр спірального теплообмінника.

Зовнішній діаметр спіралі з урахуванням товщини стрічки мож­на визначити за формулою:

   (2.28)

Дійсні довжини стрічок спіралей (між точками m i m′ для пер­шої спіралі і між точками n i n′ для другої спіралі (рис. 2.13):

Рисунок 2.13 – Схема до розрахунку довжини спірального каналу теплообмінника: 1 – зовнішній канал; 2 – внутрішній канал

   (2.29)

Поверхня нагріву спірального теплообмінника пов’язана з роз­мірами спіралей співвідношенням:

   (2.30)

де Q – теплове навантаження теплообмінника;

K – коефіцієнт теплопередачі;

Δt_сер – середня різниця температур.

Тепловіддача в спіральних теплообмінниках

При плівковій конденсації однокомпонентної пари на вер­ти­кальних стінках спірального каналу тепловіддача визначається за формулою:

   (2.31)

де r – питома теплота конденсації при заданому тиску, Дж/кг;

ρ – густина плівки конденсату, кг/ м³;

λ – коефіцієнт теплопровідності плівки конденсату, В/(м∙К);

g – прискорення вільного падіння; g = 9,81 м/с²;

μ – коефіцієнт динамічної в’язкості плівки конденсату, Па∙с;

h_с – висота стінки, по якій стікає плівка конденсату (ефек­тив­на висота спіралі), м;

– різниця температур гріючої пари і стінки спі­ра­лі, ºС;

t_г.п – температура гріючої пари;

t_ст – температура стінки спіралі.

При турбулентному режимі руху продукту в спіральному каналі теплообмінника для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі α₂ можна користуватися рівнянням:

   (2.32)

За визначальний розмір у цій формулі слід прийняти екві­ва­лентний діаметр каналу, за визначальну температуру – середню температуру робочого середовища.

Для газів розрахункова формула (2.32) спрощується, оскільки а Pr залежить від атомності газів. наприклад, для повітря У діапазоні можна скористатися рівнянням:

Вирази для чисел Nu, Re, Pr – див. [15, 24, 25].

При ламінарному режимі течії (Re < 2 320) тепловіддача може визначатися за рівнянням:

   (2.33)

Еквівалентний діаметр каналу спірального теплообмінника ви­значається за формулою (сторона δ не бере участі в тепло­обміні):

   (2.34)

Гідравлічний опір спіральних щілиноподібних каналів з до­статньою для інженерних розрахунків точністю у випадку тур­бу­лентного руху робочого середовища можна визначати за фор­мулою:

   (2.35)

Значення коефіцієнта гідравлічного опору:

• при ламінарному режимі течії робочого середовища (Re < 2 320):

  (2.36)

• при турбулентному режимі (2 320 < Re <10 000):

       (2.37)

Побудову спіралей починають зі знаходження центрів на кер­ні, які перебувають на відстані кроку t один від одного. Потім радіусами r₁ і (r₁+) з одного центра креслять півколо першого піввитка, а із другого центра радіусами r₂ і (r₂ + ) – півколо дру­гого піввитка і т. ін.

Для другої спіралі побудова аналогічна, але починають її з другого центра.

Патрубки для підведення і відведення середовищ виконують на зовнішніх кінцях спіральних каналів на циліндричній по­верхні теплообмінника (рис. 2.12) у вигляді конусів, півцилін­дрів або прямокутної коробки, а також на торцевій поверхні теплообмінника по обидва боки від керна у вигляді звичайних патрубків.

[Вгору] [Вниз]