1.9 Пластинчатые теплообменники

В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, просто той изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.

Рисунок 12 - Пластинчатый теплообменник.

Это теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов (рисунок 12). Пластаны штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены ‘в елку’ ( шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4-7 мм ).

К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.

Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 160 м2, число пластин– от 7 до 303. НИИХИММАШ рекомендует следующие стандартные размеры пластин: площадь поверхности в м2–0,2 ; 0,3; 0,5; длина Н в мм– 1000, 1250, 1400; ширина B в мм– 315, 380, 500.

В разборных пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничивается 1500 С (с учетом свойств резиновой прокладки), давление не должно превышать 10 кгс/см2 .[4]

2 Задание

Рассчитать необходимую поверхность кожухотрубчатого теплообменного аппарата, в межтрубном пространстве которого при атмосферном давлении конденсируются пары органической жидкости - бензола в количестве G₁=17000 кг/ч.(17000/3600=4.7 кг/c) Тепло конденсации отводится водой с начальной температурой t_н=18 °С. Подобрать нормализованный теплообменный аппарат.

3 Решение

Для изопропанола выписываем:

температура конденсации (температура кипения):

t_кип = t_конд = 82,4 °С (таблица V, [2]);

удельная теплота конденсации (удельная теплота испарения):

r₁ = 664720 Дж/кг (таблица V, [2]);

физико-химические свойства конденсата при температуре конденсации:

λ₁ = 0,14 Вт/(м·К) (монограмма X, [2]);

μ₁ = 0,503·10^-3 Па·с (таблица IX, [2]);

ρ₁ = 732,96 кг/м³ (таблица IV, [2]).

Тепло конденсации отводить водой с начальной температурой t_2н = 12 °С. Примем температуру воды на выходе из конденсатора t_2к = 41 °С. При средней температуре t₂ = 0,5·(12 + 41) = 26,5 °С вода имеет следующие физико-химические характеристики (таблица XXXIX, [2]):

c₂ = 4180 Дж/(кг·К)

λ₂ = 0,611 Вт/(м·К)

μ₂ = 0,8641·10^-3 Па·с

ρ₂ = 996,05 кг/м³

Рисунок 13 – график изменения температуры поверхности теплоносителей вдоль поверхности теплообмена

1. Тепловая нагрузка аппарата составит:

2. Расход воды:

3. Средняя разность температур:

4. Примем K_ор= 500 Вт (м²·К) (из таблицы 2.1, [1]). Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

Задаваясь числом Re₂ = 15000, определим соотношение n /z для конденсатора из труб диаметром d_н = 20  2 мм:

где n - общее число труб;

z - число ходов по трубному пространству:

d - внутренний диаметр труб, м.

5. Уточнённый расчёт поверхности теплопередачи. В соответствии с табличными значениями (таблица 2.9, [1]) соотношение n /z принимает наиболее близкое к заданному значению у конденсаторов с диаметром кожуха D = 600 мм, диаметром труб 20  2 мм, числом ходов z = 4 и общим числом труб n = 334.

Наиболее близкую к ориентировочной поверхность теплопередачи имеет нормализованный аппарат с длиной труб L = 4 м; F = 84 м². Действительное число Re₂ равно:

Коэффициент теплоотдачи к воде определим по уравнению 2.12, [1], пренебрегая поправкой (Pr/Pr_ст)^0.25:

Коэффициент теплоотдачи от пара компенсирующегося на пучке вертикально расположенных труб, определим по уравнению:

Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнения со стороны воды и пара равна:

Коэффициент теплопередачи (формула 2.19, [1]):

Требуемая поверхность теплопередачи:

Конденсатор с длиной труб 4 м и поверхностью 84 м² подходит с запасом:

Аналогично были рассчитаны следующие конденсаторы:

диаметр кожуха (D, мм) диаметр труб (d, м) длина труб ( L, мм) поверхность теплообмена ( F, м2)	n	z	Re2	α2	α1	K	F (м2)	Δ (%)
D = 600 d = 202мм L = 4 F = 84	334	4	16817	4295	724,5	425	79,6	5,5
D = 600 d = 202мм L = 6 F = 126	334	4	16817	4295	724,5	425	79,6	58
D = 800 d = 202мм L = 3 F = 116	618	6	13633	3631	890	468	72,3	60,4

Окончательно принимаем конденсатор, подробно рассчитанный выше, т.е обладающий следующими данными:

D = 600 мм

d = 202 мм

L = 4 м

F = 84 м²

z = 4

n = 334

6. Гидравлическое сопротивление р₂ рассчитывается по формуле 2.35, [1]) :

Скорость воды в трубах (формула 2.30, [1]):

Коэффициент трения по формуле 2.31, [1] равен:

Скорость воды в штуцерах:

Гидравлическое сопротивление:

Список использованных источников

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, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии : учеб. пособие для вузов / П.Г. Романков, А.А. Носков; под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.

3. Теплообменник [Электронный ресурс]. – 2009. – Режим доступа http://ru.wikipedia.org/wiki/Теплообменник

4. Классификация и основные требования к теплообменным аппаратам [Электронный ресурс]. – 2009. – Режим доступа http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=4398&cat_id=5&page_id=6

24