5 Расчет пластинчатых теплообменников

Цель работы: ознакомиться с конструкцией пластинчатого теплообменника, произвести механический расчет аппарата, а именно рассчитать толщину пластины аппарата.

5.1 Основные сведения

Поверхность теплообмена пластинчатых аппаратов представляет собой набор тонких штампованных теплопередающих гофрированных пластин. Поток рабочей среды в каналах, образованных пластинами, подвергается искусственной турбулизации при сравнительно малых затратах энергии, что позволяет интенсифицировать процесс передачи тепла в 2-3 раза по сравнению с теплопередачей в трубчатых теплообменниках.

1,9,10 И 12 – штуцера; 2 – неподвижная плита; 3 – штанга; 4 – теплообменная пластина; 5,6 – прокладки; 7 – стойка; 8 – винт; 11 – нажимная плита; а,б,в и г – проходные отверстия

Рисунок 5.1.1 – Разборный пластинчатый теплообменник

Относительное направление движения обеих рабочих сред через пластинчатый теплообменник может быть различным в зависимости от сочетания общих и частных направлений движения рабочих сред через аппарат в целом и через межпластинчатые каналы. Различают следующие рабочие случаи:

• частный противоток при общем противотоке, т.е. противоток и в каналах пакетов и в целом аппарате (чистый противоток) (рисунок 5.1.2 а)

• смешанный ток (рисунок 5.1.2 б)

• смешанный частный ток при общем противотоке (рисунок 5.1.2 в)

• частный прямоток при общем противотоке (рисунок 5.1.2 г)

• смешанный частный ток при общем прямотоке (рисунок 5.1.2 д)

• частный прямоток при общем прямотоке (чистый прямоток) (рисунок 5.1.2 е)

Рисунок 5.1.2 – Схемы относительного движения рабочих сред в пластинчатом теплообменнике

Пластины теплообменников изготавливают из корозионностойких сталей 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, сплава 06ХМ28МДТ, а также из титанового сплава ВТ1-0, ВТ1-00.

В настоящее время среди существующих можно выделить несколько основных видов пластин:

• плоские и канальчатые пластины

попарное соединение простых плоских пластин позволяет создать две системы каналов, изолированных одна от другой теплопередающей стенкой. Канальчатые пластины характеризуются зигзагообразными или спиральными каналами на поверхности. Они применяются обычно в сочетании с гладкими пластинами.

• пластины ленточно-поточного типа

Конструкции таких пластин отличаются разнообразием в формах и размерах деталей, но для всех них характерно наличие периодически повторяющихся гофр (треугольных, синусоидальных или др.), ориентированных параллельно меньшей стороне пластины. Поток жидкости в каналах подобен плоской волнистой ленте. Геометрические характеристики потока могут быть различны, но во всех случаях поверхность омывается поперек гофр.

• пластины сетчато-поточного типа

В этих пластинах турбулизирующие элементы профиля одновременно создают сетку взаимных опор между пластинами, что позволяет значительно повысить жесткость пакета и обеспечить его работоспособность при более высоких давлениях

На рисунке 5.1.3 показаны современные конструкции пластин, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью.

Рисунок 5.1.3 – Конструкции сетчато-поточных пластин

В таблице 5.1.1 приведены характеристики пластин сетчато-поточного типа с гофрами треугольной формы в «елочку». Они наиболее эффективные, широко применяются в большинстве конструкций отечественных пластинчатых теплообменников для химических и смежных с ним производств.

Таблица 5.1.1 – Характеристики пластин сетчато-поточного типа

Параметры сетчато-поточных пластин с наклонными гофрами треугольного профиля	ПР-0,2	ПР-0,3	ПР-0,5Е	ПР-0,5М	ПР-1,3
Габаритные размеры плас-тин, мм Длина Ширина	650 650	1370 300	1380 500	1380 500	1910 920
Поверхность теплообмена, м2	0,2	0,3	0,5	0,5	1,3
Масса, кг	3,6	3,2	5,4	5,6	12,3
Эквивалентный диаметр ка-нала, мм	7,5	8	8	9,6	9,6
Площадь поперечного сече-ния канала, м2×103	1,6	1,1	1,8	2,4	4,3
Расстояние между стенками пластин (среднее), мм	3,8	4	4	5	5
Шаг гофр (по нормали к гофрам), мм	18	18	18	18	18
Высоты гофр, мм	4	4	4	5	5
Число гофр на пластине	21	50	66	66	95
Длина одного канала (приведенная), м	0,44	1,12	1,15	1	1,47
Площадь углового отвер-стия, м2	0,0082	0,0045	0,017	0,017	0,03
Диаметр присоединяемого штуцера, мм	100	50	150	150	200
ПР – пластины для разборных теплообменников

5.2 Расчет пластинчатого теплообменника

Определение болтовой нагрузки и расчет стяжных болтов.

Осевое усилие болтов необходимое для обеспечения герметичности уплотнения, рассчитывается по формуле:

где - удельная нагрузка на прокладку;

, м – ширина прокладки;

, м - средняя длина уплотнения, которая находиться по формуле:

где – длина пластины, м (см. таблицу 5.1.1)

– ширина пластины, м (см. таблицу 5.1.1)

Проверка прочности болтов выполняется по условию:

где = 8 – число болтов;

- допускаемое напряжение для материала болта при температуре в аппарате;

площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы;

- принятый диаметр болта

Если условие , выполняется, то прочность болта обеспечена.

Расчет толщины пластины.

Выделим элемент пластины, ограниченный гофрами. Ширина этого элемента равна шагу между гофрами (см. таблицу 5.1.1). Длина элемента рассчитывается как гипотенуза прямоугольного треугольника (рисунок 5.2.1)

Рисунок 5.2.1 – Элемент пластины

Для прямоугольной плоской стенки, жестко закрепленной по периметру, толщина пластины находиться по формуле:

где – внутреннее давление в аппарате, МПа;

– конструктивная прибавка на коррозию, принимаем 0,3 мм;

– коэффициент (см. рисунок 5.2.2)

Рисунок 5.2.2 – Графики определения коэффициента К

1 – для прямоугольной плоской стенки, шарнирно закрепленной по периметру; 2 – для прямоугольной плоской стенки жестко закрепленной по периметру

Величина допускаемого номинального напряжения , МПа, зависящая от прочностных характеристик конструкционного материала пластины, вычисляется по формуле:

где – нормативное допускаемое напряжение для материала пластины, МПа;

- коэффициент запаса прочности (см. таблица 5.2.1)

Таблица 5.2.1 – Значение коэффициента запаса прочности

Запас прочности	Сталь углеродистая, низкоуглеродистая, легированная и высоколегированная, титан и его сплавы
	При избыточном давлении в аппарате < 0,5 МПа	При избыточном давлении в аппарате ≥ 0,5 МПа
	1,65	1,5

Принятая толщина пластины должна обеспечить прочность при давлении .

5.3 Пример расчета пластинчатого теплообменника

Исходные данные: - давление со стороны пара; - давление со стороны жирных кислот; материал пластины сталь 10Х17Н13М2Т; марка пластины ПР-0,3; ширина прокладки ; диаметр болта температура в аппарате 120ᵒС.

Определение болтовой нагрузки и расчет стяжных болтов.

Осевое усилие болтов рассчитывается по формуле:

Средняя длина уплотнения, которая находиться по формуле:

Из таблицы 5.1.1 ,

Проверка прочности болтов выполняется по условию:

где = 8 – число болтов;

139,8- допускаемое напряжение для материала болта при температуре120ᵒС;

Площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы:

Так как , то прочность болта обеспечена.

Расчет толщины пластины.

Выделим элемент пластины, ограниченный гофрами. Ширина этого элемента равна шагу между гофрами (см. таблицу 5.1.1). Длина элемента рассчитывается как гипотенуза прямоугольного треугольника (рисунок 5.2.1)

Для прямоугольной плоской стенки, жестко закрепленной по периметру, толщина пластины находиться по формуле:

где – коэффициент (см. рисунок 5.2.2). Из графика на рисунке 5.2.2 находим К=0,5

Величина допускаемого номинального напряжения , МПа, зависящая от прочностных характеристик конструкционного материала пластины, вычисляется по формуле:

Принятая толщина пластины 0,9 мм обеспечивает прочность при давлении 0,6 МПа

5.4 Задание для самостоятельного расчета пластинчатого теплообменника

Произвести механический расчет аппарата, а именно рассчитать толщину пластины аппарата. Данные для расчета взять из таблицы 5.4.1.

Таблица 5.4.1 – Исходные данные для расчета пластинчатого теплообменника

№ варианта	Р1, МПа	Р2, МПа	b, мм	dб, мм	Материал пластины	Марка пластины
1	0,5	0,2	15	24	12Х18Н10Т	ПР-0,3
2	0,6	0,3	14	22	ВТ1-0	ПР-0,2
3	0,8	0,4	13	20	10Х17Н13М2Т	ПР-0,5Е
4	0,6	0,2	16	24	ВТ1-00	ПР-0,5М
5	0,5	0,3	15	22	06ХМ28МДТ	ПР-1,3
6	0,4	0,2	14	20	12Х18Н10Т	ПР-0,5Е
7	0,6	0,4	14	20	ВТ1-0	ПР-0,2
8	0,8	0,4	16	24	10Х17Н13М2Т	ПР-1,3
9	0,8	0,4	15	26	ВТ1-00	ПР-1,3
10	0,5	0,2	13	22	06ХМ28МДТ	ПР-0,5М