Спиральный теплообменник

1.3 Варианты конструкций спиральных  теплообменников.

Спиральные теплообменники с противотоком или параллельным движением сред.

В общем случае этот тип теплообменников применяется для взаимодействия сред "жидкость-жидкость". Например, греющая жидкость поступает в аппарат через патрубок С, протекает по спирали и покидает аппарат через осевой патрубок D, а нагреваемая жидкость поступает в аппарат через осевой патрубок А и покидает его после протекания через спираль в противотоке греющей среде через патрубок В.

Для организации параллельного движения потоков, нагреваемая среда должна поступать через патрубок В и покидать аппарат через патрубок А.

 

Конструкция А-1

Это самая распространённая конструкция. Герметизацию спиралей называют при этом переменной, поскольку плоские крышки герметизируют каналы каждая со своей стороны. Доступ к обоим каналам в каждом случае возможен после демонтажа соответствующей крышки(Рис.2).

Конструкция А-2

Для определённых целей один из обоих каналов полностью закрывается, другой, напротив, постоянно открыт. Выбор этой конструкции оправдан, например, в том случае, когда одна из сред создаёт значительные проблемы при выборе уплотнительных прокладок, или когда использование одной среды требует частое проведение чистки с помощью механических средств или агрессивных чистящих средств. Закрытый канал недоступен для механической чистки, он может очищаться только химическими средствами. Открытый канал, напротив, может очищать с обеих сторон спирали любым способом.

 

Рис. 2 Спиральные теплообменники с перекрёстным движением сред.

Эта конструкция применяется в конденсаторах, в основном при пониженном давлении, при этом значительный объём потока пара пускают через большие поперечные сечения спиралей (вдоль осей спиралей). За счёт этого достигается быстрое охлаждение пара при избежании большой потери давления.

Конструкция В-1

Охлаждающая жидкость движется по закрытому спиральному каналу. Пар подается через спираль вдоль оси спирали и охлаждается. Чистка очень простая, поскольку канал с обеих сторон доступен, если аппарат снабжён люками для чистки или съемными крышками (Рис. 3).

Конструкция В-2

В некоторых случаях требуется приведение теплообменника в горизонтальное положение, в особенности, при использовании жидкостей, содержащих твердые частицы, волокна и т.п. во избежание их скапливания в нижней части теплообменника под действием силы тяжести. Эта конструкция дает возможность проводить механическую чистку спиралей с обеих сторон.

Конструкция В может также применятся в качестве испарителя в основании колонны. В этом случае испаряющаяся жидкость поступает в теплообменник вдоль оси спирали и течёт поперек спирального канала. Греющая среда движется по спиральному каналу.

При горизонтальном расположении, внутри кожуха, спиральные теплообменники, в который поступает пар, устанавливается горизонтальная перегородка приблизительно на 2/3 ширины спирали. В результате поступающий через верхнюю половину спирали пар вынужден выходить через её нижнюю половину. Охлаждающая жидкость поступает через боковой патрубок и покидает спиральный теплообменник через осевой патрубок.

                                   

                                

Рис. 3 Спиральные теплообменники

 

Конструкция С

Эта конструкция применяется в качестве конденсатора в верхней части колонн, аппарата с фланцем, посаженного прямо на колонну, что минимизирует потери давления  и значительно упрощает монтаж (Рис. 4).

 

Рис. 4 Спиральные теплообменники с конденсатором

Существуют две различные конструкции конденсаторов для переохлаждения конденсата, инертного газа или одновременно этих двух сред. Переохлаждение возможно за счёт формирования дополнительного контура охлаждения путем герметизации в верхней части двух последних витков спирали. Пар поступает в теплообменник перпендикулярно плоскости спирали, конденсат и (или) инертный газ вынуждены вытекать через последние спиральные витки. Поперечные сечения сильно сужаются, что приводит к незначительной потере давления в конце конденсации. В то же время повышаются параметры теплообмена за счёт повышения скорости течения.

 

 

 

 

 

 

 

                         2. Расчет спирального теплообменника.

2.1 Задание на проектирование.

Для охлаждения раствора воды необходимо запроектировать спиральный теплообменник, который будет работать при следующих условиях:

1. количество раствора GР=29 т/ч
2. начальная температура раствора t1=83 0С;
3. конечная температура раствора t2=38 0С;
4. температура охлаждающей воды на входе в аппарат t3=20 0С;
5. температура охлаждающей воды на выходе из аппарата t4=41 0С.

2.2 Тепловой расчет охладителя.

Физические параметры теплоносителей определяют при их средних температурах.

Средняя температура раствора

 0С,

где t1=83 0С – температура раствора на входе в охладитель; t2=38 0С – температура раствора на выходе из охладителя.

Средняя температура воды

где t3=20 0С – температура охлаждающей воды на входе в аппарат; t4=41 0С – температура охлаждающей воды на выходе из аппарата.

Физические характеристики теплоносителей

Физические величины	Для раствора при tр.ср=60,5 0С	Для воды при tв.ср=30,5 0С
Плотность, кг/м3	ρр.=1003,43	ρв.=995,53
Теплоемкость, кДж/(кг 0С)	ср.=2,177	св.=4,174
Теплопроводность, Вт/(м 0С)	λр.=0,145	λв.=0,619
Кинематическая вязкость, м2/с	νр.=0,74•10-6	νв.=0,7977•10-6
Критерий Прандтля для среды	Prр.=5,19	Prв.=5,365

 

Тепловая нагрузка аппарата:

 кВт,

где Gр.=8,05 кг/с – расход раствора; ср.=2,177 кДж/(кг 0С) – теплоемкость раствора.

Расход охлаждающей воды составит:

 кг/с,

где св.=4,174 кДж/(кг 0С) – теплоемкость воды.

Средний логарифмический температурный напор при заданных значениях температур теплоносителей рассчитывают по формуле:

,

где Δtб. – наибольший температурный напор между теплоносителями, 0С; Δtм. – наименьший температурный напор между теплоносителя, 0С.

Схема потоков в аппарате:

83 0С                      38 0С

41 0С                      20 0С

Напоры:

Δtб.=83-38=45 0С;

Δtм.=41-20=210С.

Средний логарифмический температурный напор

 0С.

 

Эквивалентный диаметр спирального теплообменника находят по формуле

 м,

где b – ширина полосы спирального теплообменника (принимается от 0,2 до 1,5 м), м; δ – ширина канала (зазор между спиралями), принимается равной от 0,008 м до 0,025 м.

Задаваясь скоростью движения раствора ωр.=0,5 м/с, находят площадь сечения канала теплообменника.

 м2,

где ρр.=1003,43 кг/м3 – плотность раствора.

Отсюда эффективная высота теплообменника (эффективная ширина ленты)

 м.

Принимаем ширину ленты be=0,7 м, тогда площадь поперечного сечения канала

 м2.

Действительная скорость движения раствора по каналу теплообменника

 м/с.

 

Скорость охлаждающей воды в канале теплообменника

  м/с.

Критерий Рейнольдса для раствора

,

где νр.=0,74•10-6 – кинематическая вязкость раствора.

             Рассчитывают наружный диаметр  спирали, м

,

где d=2r+t – внутренний диаметр спирального теплообменника, м; r=0,15 м – внутренний радиус спиралей; t=δ+δст.=0,012+0,003=0,015 м – шаг спирали; δст. – толщина стенки теплообменника, принимается в зависимости от давления: при давлении до 1,0 МПа δст.=3 мм; N – число витков спиралей, принимаем N=24 (четное число).

 м;

 м.

               Критическое значение числа Рейнольдса

.

               Так как полученное значение Reр.>Reкр.р., то режим движения раствора по каналам – турбулентный.

               Критерий Нуссельта для раствора

,

где Prр.=5,19 – критерий Прандтля для раствора.

               Коэффициент теплоотдачи для  раствора к стенке теплообменника

 Вт/(м2 0С),

где λр.=0,145Вт/(м 0С) – теплопроводность раствора.

               Значение Рейнольдса для воды

,

где νв.=0,7977•10-6 – кинематическая вязкость воды.

            Критерий Нуссельта для воды

,

где Prв.=5,365 – критерий Прандтля для воды.

             Коэффициент теплоотдачи от стенки  теплообменника к охлаждающей  воде

 Вт/(м2 0С),

где λв.=0,619 Вт/(м 0С) – теплопроводность воды.

            Задаваясь материалом изготовления  стенок аппарата – сталь с  коэффициентом теплопроводности λст.=16 Вт/(м 0С), находят коэффициент теплопередачи

 Вт/(м2 0С).

            Поверхность теплопередачи спирального  теплообменного аппарата

 м2.

            Эффективная длина спирали

 м.

          Число витков обеих спиралей

,

где .

          Принимают полученное значение  числа витков спирали N=24.Отсюда следует, что расчетное число витков равно выбранному .

2.3 Конструктивный расчет охладителя.

Для определения геометрических размеров теплообменника исходят из размеров внутреннего

радиуса спиралей, ширины канала (шага ленты спиралей) и ширины ленты, из которой производится навивка.

Ширина полосы, из которой изготавливается теплообменник:

 мм.

Каждый виток спирали строится по двум радиусам:

первый виток по радиусам r1=r; r2=r1+t;

второй виток по радиусам r3=r2+t; r4=r3+t и т.д.

           Действительная длина листов  спиралей от точек m и m′ для первой спирали и от точек n и n′ для второй спирали:

,

,

где а1 – расстояние от оси спирали до точки m′; b1 – расстояние от оси спирали до точки n′.

В результате расчета к установке принимают спиральный теплообменник со следующими техническими характеристиками:

высота (ширина) теплообменника b=720 мм;

наружный диаметр D=1039 мм;

эффективная длина спиралей L=27 м;

внутренний радиус r=150 мм;

внутренний диаметр d=315 мм;

ширина керна h=2•r=300 мм;

шаг между спиралями t=15 мм;

число витков для одной спирали n=12.

2.4 Гидромеханический расчет охладителя.

Потери давления в спиральном теплообменнике со штифтами с шагом 70 мм и коридорным расположением можно определить по формуле, Па

,

где g – ускорение свободного падения, м/с2; L – длина спирали, м; ρ – плотность теплоносителя, кг/м3; ω – скорость теплоносителя, м/с; Re – число Рейнольдса; δ – ширина канала, м.

Для раствора воды потери напора составят

 Па.

Для воды потери напора будут равны

 Па.

Мощность, необходимая для преодоления гидравлических сопротивлений при прокачивании через теплообменник:

раствора Вт,

воды Вт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                           

 

 

 

 

 

                                   Библиографический список

1. Под редакцией Григорьева «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника».

2. Веселова Н.М., Фокин В.М. «Тепломассобменное оборудование предприятий».