Расчет спирального теплообменника

При ширине канала b₁ = 12 мм высота ленты должна составлять:

h = S₁/b₁ = 0,0026/0,012 = 0,22 м;

принимаем по ГОСТ 12067-80 [2c. 65] h = 0,4 м;

ширину второго канала принимаем b₂ = b₁ = 0,012 м;

толщина листа d = 3,5 мм.

Коэффициент теплоотдачи  от бензола к стенке

  Эквивалентный диаметр канала:

d = 2bh/(b+h) = 2×0,012×0,4/(0,012+0,4) = 0,0233 м.

Скорость движения бензола:

w₁ = G₁/(bhr₁) = 2,22/(0,012×0,4×842) = 0,55 м/с.

Критерий Рейнольдса:

Re₁ = w₁d r₁/m₁ = 0,55×0,0233×842/0,43×10^-3 = 25061,

где m₁ = 0,43×10^-3 Па×с – вязкость бензола [1c. 516].

Критерий Нуссельта:

Nu₁ = 0,021×Re₁^0,8×Pr₁^0,43×(Pr₁/Pr_ст1)^0,25.

Критерий Прандтля:

Pr₁ = сμ/λ = 1,88·0,43/0,138 = 5,86.

где l₁ = 0,138 Вт/(м×K) – теплопроводность бензола [1c. 561].

Принимаем в первом приближении  (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 = 1, тогда

Nu₁ = 0,021×25061^0,8×5,86^0,43 = 148,4.

a₁ = Nu₁l₁/d = 148,4×0,138/0,0233 = 879 Вт/(м²×K)

 

 Коэффициент теплоотдачи  от стенки к воде.

Скорость движения воды:

w₂ = G₂ /(bhr₂) =  1,22/(0,012×0,4×993) = 0,26 м/с,

где r₂ = 993 кг/м³ – плотность воды [1c. 537].

Критерий Рейнольдса:

Re₂ = w₂d r₂/m₂ = 0,26×0,0233×993/0,69×10^-3 = 8582,

где m₁ = 0,69×10^-3 Па×с – вязкость воды [1c. 537].

Критерий Нуссельта:

Nu₂ = 0,021×Re₂^0,8×Pr₂^0,43×(Pr₂/Pr_ст2)^0,25.

Критерий Прандтля: Pr₂ = 4,58 [1c.537]

Примем в первом приближении  (Pr₁/Pr_ст1)^0,25 = 1, тогда

Nu₂ = 0,021×8582^0,8×4,58^0,43 = 56,7.

a₂ = Nu₂l₂/d =  56,7×0,630/0,0233 = 1532 Вт/(м²×K).

где l₂ = 0,630 Вт/(м×K) – теплопроводность воды [1c. 537].

3.7.  Тепловое сопротивление стенки:

,

где l_cт =17,5 Вт/(м×К) – теплопроводность нержавеющей стали [1c. 529]

     r₁=r₂=1/5800 м×К/Вт – тепловое сопротивление  загрязнений [1c. 531]

= (0,0035/17,5) + (1/5800) + (1/5800) = 5,4×10^-4 м×К/Вт.

3.8. Коэффициент теплопередачи:

=

1/(1/879+ 5,4×10^-4 + 1/1532) = 429 Вт/(м²×К).

 

Рассчитываем температуру  стенки:

t_ст1 = t_cр1 – KDt_ср/a₁ = 51,9 – 429×14,4/879 = 44,9° С

t_ст2 = t_cр2 – KDt_ср/a₂ = 37,5 + 429×14,4/1532 = 41,5° С

Уточняем коэффициенты теплоотдачи  при температуре стенки:

Pr_1ст = 6,21

a_1ут =  879×(5,86/6,21)^0,25 = 866 Вт/(м²×К).

Pr_2ст = 4,19

a_2ут = 1532×(4,58/4,19)^0,25 = 1566 Вт/(м²×К).

Уточненный коэффициент  теплопередачи:

K = 1/(1/866 + 5,4×10^-4+1/1566) = 428 Вт/(м²×К)

 

Проверяем температуру стенки

t_ст1 = t_cр1 – KDt_ср/a₁ = 51,9 – 428×14,4/866 = 44,8° С

t_ст2 = t_cр2 – KDt_ср/a₂ = 37,5 + 428×14,4/1566 = 41,4° С

Полученные значения близки к ранее принятым.

 Поверхность теплообмена:

F = Q/( KDt_ср) =  230×10³/(428×14,4) = 37,3 м².

Так как теплообменник  с ближайшей большей поверхностью F = 40 м² изготовляется с шириной листа 0,7 или 1,0 м, то принимаем к установке два    последовательно соединенных теплообменника с поверхностью теплообмена 20,0 м² каждый.

 

Конструктивный  расчет

Шаг спирали:

t = b +

b – ширина канала

- толщина листов

t=t1=t2 = b + = 0,012 + 0,0035 = 0,0155 м = 15,5 мм

 

Каждый виток спирали  строится по радиусам:

,

d – диаметр первого витка внутренней спирали

d=150 мм (ГОСТ 12067-72)

 

 

Ширина керна:

=2

=2 = 2*150 – 15,5 = 300 – 15,5 = 284,5 мм

Ось аппарата делит керн на две неравные части:

 

 

Центры O1 и O2, из которых производят построения спиралей, относят друг от друга на расстоянии t2

 

 

Длина листов спирали:

l = F/(2h) = 20,0/(2×0,4) = 25,0 м

h- высота ленты (по ГОСТ 12067 -72)

Количество полувитков спирали n определяется из соотношения:

 

 

Где

  – средний радиус витка спирали I

- средний радиус  витка спирали II

Отсюда

 

n = 321

Диаметр аппарата:

D=d + 2nt+δ

d – диаметр первого витка

n -  количество витков

t – шаг спиралей

δ – Толщина листов спирали

D = 300 + 2*321*15,5 + 3,5 = 961 мм = 0,961 м

 Принимаем D=1000 мм

 

 Расчет штуцеров.

Принимаем скорость жидкости в штуцере w_шт = 1 м/с.

Штуцер для входа и  выхода бутанола:

= [2,22/(0,785×1×842)]^0,5 = 0,058 м,

принимаем d₁ = 65 мм.

 

Штуцер для входа и  выхода воды:

= [1,22/(0,785×1×993)]^0,5 = 0,039 м,

принимаем d₂ =  40 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция  и размеры которых приводятся ниже:

 

dусл	D	D2	D1	h	n	d
40	130	100	80	13	4	14
65	160	130	110	14	4	14

 

 Выбор опор  аппарата.

      Масса теплообменника:

m = m₁+m_в+m₂,

где  m₁ – масса спиралей,

           m_в – масса воды заполняющей аппарат при гидроиспытании,

           m₂  - масса вспомогательных элементов (фланцев, штуцеров).

m₁ = 2hLdr_ст = 2×0,4×25,0×0,0035×7900 = 553 кг,

где r_ст = 7900 кг/м³ – плотность стали.

m_в = (0,785D²h – 2hLd)r_в =

= (0,785×1,1²×0,4 – 2×0,4×25,0×0,0035)1000 = 310 кг.

m₂ принимаем 5% от основного веса аппарата. Тогда

m_p = 1,05(m₁+m_в) = 1,05(553+310) =  906 кг =  9 кН.

Принимаем для аппарата  две опоры в виде лап. Нагрузка на одну опору:

G = m/2 =  9/2 = 4,5 кН

Выбираем опору с допускаемой  нагрузкой 6,3 кН, конструкция которой  приводятся на рисунке:

 

   Уплотнение каналов.

Каждый канал с одной  стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. Такой  способ предотвращает смешение теплоносителей при в случае неплотности в прокладки. Кроме того, этот тип уплотнения позволяет легко очистить каналы при их загрязнении.

 

 

 

 Расчет тепловой  изоляции

    Принимаем температуру  наружной поверхности стенки  t_ст.в = 40 °С, температуру окружающего воздуха t_в = 18 °С, тогда толщина стекловолокнистой изоляции:

,

где l_из = 0,09 Вт/м×К – коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала,

       a_в – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду

a_в = 8,4+0,06Dt_в = 8,4+0,06×22 = 9,72 Вт/м²×К,

где Dt_в = t_ст.в – t_в = 40 – 18 = 22 °С.

d_из = 0,09(80-40)/9,72(40 – 18) = 0,017 м.

Принимаем толщину тепловой изоляции 20 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод

В ходе проделанной работы, я рассчитал  поверхность теплообмена спирального  теплообменника F=20,0 м², количество полувитков спирали n=321, диаметр аппарата D=1 м, толщину тепловой изоляции d_из = 20 мм, штуцер для входа и выхода бутанола d1 = 65 мм, штуцер для входа и выхода воды d2 =  40 мм. 
Литература:

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.Л.:Химия,1987, 576 с.
2. Спиральные теплообменники ГОСТ 12067-80.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983. 272 с.