4.3 Конструктивный расчет пластинчатого холодильника «Альфа-Лаваль»

Пластинчатый холодильник «Альфа-Лаваль» устанавливается вместо даух холодильников АВЗ моногидратного абсорбера в существующую систему охлаждения кислот сушильно-абсорбционного отделения сернокислотного цеха.

Цель расчета – определение необходимой поверхности теплообмена и, следовательно, количество пластин, схемы их компоновки и предлагаемых гидравлических сопротивлений. Результат расчета позволит определить оптимальные условия, при которых выбранная конструкция аппарата обеспечит заданный тепловой режим и конечную температуру рабочих сред при заданном их расходе, а также схему компоновки пластин, при которой гидравлическое сопротивление аппарата не превысит допустимого предела.

Требуется произвести расчет холодильника для 99,0 % серной кислоты. Охлаждение – технической водой. Исходные данные представлены в таблице 4.11.

Таблица 4.11- Исходные параметры

Исходные параметры	Обозначение	Величина
Расход серной кислоты, охлаждаемой в аппарате, кг/сек	G1	67,2
Температура кислоты,ºС начальная конечная		45 65
Температура охлаждающей воды, ºС начальная конечная		28 40
Расчетное давление, Мн/м2(кг/см2)	р	0,6(6)
Располагаемый напор для гидравлического сопротивления, Н/м2 (кг/см2): по стороне кислоты по стороне воды		130000 (1,3) 100000 (1)
Теплофизические свойства кислоты (при её средней температуре, равной 55ºС): - плотность, кг/м3 - теплоемкость, дж/кг·ºС - теплопроводность, Вт/м·ºС - кинематическая вязкость, м2/сек	с1	1811 1470 0,321 9,82·106
Теплофизические свойства воды (при её средней температуре, равной 34º): - плотность, кг/м3 - теплоемкость, дж/кг·ºС - теплопроводность, Вт/м·ºС - кинематическая вязкость, м2/сек	с2	994,2 4180 0,618 0,866·106

Для заданного расхода 67,2 кг/сек (241920 т/ч) кислоты выбирают теплообменник с пластинами I – 0,5 с гофрами в «ёлку» из стали Х17Н13М2Т.

Каналы, образуемые пластинами, имеют размеры:

d_э= 0,008 м; f₁ = 0,0018 м²; L_пр = 1,15м.

Поверхность одной пластины 0,5 м², диаметр условного прохода штуцера D_y = 150 мм.

4.3.1 Расчет поверхности теплообмена

1) Средний температурный напор при принятом противоточном движении кислоты и воды:

, (4.3.1)

где ºС,

С,

тогда С

2) Тепловая нагрузка на холодильник и расход охлаждающей воды:

Дж/сек (4.3.2)

кг/сек (4.3.3)

3) Оптимальная скорость движения кислоты в каналах, при которой гидравлическое сопротивление холодильника соответствует располагаемому напору насоса:

(4.3.4)

Приведенная формула служит для ориентировочного определения скорости , поэтому входящие в нее величины задаются приближению.

Коэффициент теплоотдачи принимают:

- от кислоты к стенке Вт/м·ºС;

- среднюю температуру стенки С;

- коэффициент гидравлического сопротивления единицы относительной длины межпластинчатого канала .

Тогда м/сек

Вычисленную предварительно скорость корректируют, исходя из условия, согласно которому количество каналов в пакете для кислоты должно быть целым числом.

Для этого пользуются уравнением расхода:

(4.3.5)

где m₁ – количество каналов в пакете для кислоты.

Отсюда .

В соответствии с рекомендуемыми схемами компоновки принимают m₁= 32. Тогда уточненная скорость

м/сек

По этому значению проверяют принятую величину коэффициента гидравлического с2опротивления единицы относительной длины межпластинного канала по формуле:

, (4.3.6)

где А = 22,4 для каналов, составленных из пластин I-0,5 с гофрами в «ёлку».

Критерий Рейнольдса

Тогда . Принятая в первом приближении величина мало отличается от рассчитанной.

4) При симметричной схеме компоновки каналов, то есть при m₂ = m₁ = 31,09, из уравнения расхода скорость воды равна:

м/сек (4.3.7)

5) Критерий Нуссельта при охлаждении воды:

(4.3.8)

а) критерий Прандтля при средней температуре потока кислоты 55ºС:

(4.3.9)

б) критерий Прандтля при средней температуре стенки 43ºС вычисляют по формуле в п. а по теплофизическим свойствам кислоты при 43ºс, в результате чего Pr_ст1 = 66,5.

Тогда .

6) Коэффициент теплоотдачи от кислоты к стенке пластины:

Вт/м²·ºС (4.3.10)

7) Критерий Нуссельта для охлаждающей воды:

(4.3.11)

а) критерий Рейнольдса при средней температуре воды 34ºС:

(4.3.12)

б) критерий Прандтля при средней температуре воды 34ºС:

(4.3.13)

Соответственно Pr_ст2 = 3,93.

Тогда

8) Коэффициент теплоотдачи от стенки пластины к охлаждающей воде:

Вт/м²·ºС (4.3.14)

9) Коэффициент теплопередачи:

(4.3.15)

где

м²·ºС/Вт – термическое сопротивление загрязнений со стороны кислоты;

= 0,001 м – толщина стенки пластин;

Вт/м²·ºС – теплопроводность нержавеющей стали4

- термическое сопротивление загрязнений со стороны технической воды.

Тогда Вт/м²·ºС

10) Проверка принятой температуры стенки С:

С (4.3.16)

Расхождение невелико, поэтому уточненный расчет по не требуется. Также не нужен расчет во втором приближении по ранее принятым величинам и . Скорость выбрана достаточно точно.

11) Потребная поверхность теплообмена:

м² (4.3.17)

По полученным данным выбирают серийно выпускаемый теплообменник поверхностью теплообмена 100 м² из стали Х17Н13М2Т с прокладками из резины марки СУ: ТПР – 19 – 35 – 4 -13.