Пластинчатые теплообменники

В пластинчатых аппаратах поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин.

Рис. 2. Принципиальная схема сборки пластинчатого аппарата:

1, 2, 11, 12 – штуцера; 3 – неподвижная плита; 4 – верхнее угловое отверстие; 5 – кольцевая резиновая прокладка; 6 – граничная пластина; 7 – штанга; 8 – нажимная плита; 9 – задняя стойка; 10 – винт; 13 – большая резиновая прокладка; 14 – нижнее угловое отверстие; 15 – теплообменная пластина

Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых теплоноситель движется только в одном направлении (сверху вниз или наоборот), составляет пакет. Пакет аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках.

Предполагаем, что в рассматриваемом примере для воды будет использована однопакетная компоновка пластин, поэтому средняя разность температур между теплоносителями ∆t_ср должна вычисляться для противоточной схемы движения. Ранее было найдено, что для противотока теплоносителей ∆t_ср=73,05 ⁰С.

Принимаем коэффициент теплопередачи равным К_ор=960 Вт/(м²*К). Тогда ориентировочная величина площади поверхности теплопередачи F_ор:

Характеристики	Вариант 4	Вариант 5	Вариант 6
1. Площадь поверхности пластин f,м2	0,2	0,3	0,6
2. Общая площадь поверхности теплопередачи F,м2	25	20	25
3. Число пластин N	128	70	44
4. Масса аппарата M,кг	1480	485	1130
5. Толщина пластин	0,001	0,001	0,001
6. Эквивалентный диаметр канала dэ, м	0,0088	0,008	0,0083
7. Поперечное сечение канала S, м2	0,00178	0,0011	0,00245
8. Приведенная длина канала L', м	0,518	1,12	1,01
9. Диаметр условного прохода штуцеров dу, м	0,08; 0,150	0,065	0,2

Примем для всех вариантов самую простую однопакетную схему компоновки пластин по воде, обеспечивающую движение теплоносителей в противотоке. В этом случае скорость воды W в каналах теплообменников будет:

Для 4 варианта -

Для 5 варианта -

Для 6 варианта -

Скорость воды в варианте 6 в 2,11 раз больше, чем в варианте 4, а следовательно, и

коэффициент теплопередачи от пластин к воде в варианте 6 будет значительно больше, чем в варианте 4. К тому же теплообменник варианта 4 является более металлоемким по сравнению с вариантом 6 (1480>1130). Поэтому вариант 4 следует рассматривать только, если не подойдут аппараты вариантов 4 и 5, не подойдут.

Расчет варианта 6

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к поверхности гофрированной пластины α₁ при разности температур ∆t между паром и стенкой больше 10 ⁰С рассчитывается по уравнению

Где А₁ – коэффициент, зависящий от площади поверхности пластины; для пластин с f=0,6 м² А₁=240

L’ – приведенная длина канала

Критерий Рейнольдса Re₁ и Прандтля Pr₁ в уравнении вычисляются по соотношениям

Где F – общая площадь поверхности теплопередачи

c,μ,λ – теплоемкость, вязкость и коэффициент теплопроводности конденсата.

Если разность температур ∆t между паром и стенкой ∆t=t_п-t_ст <(30-40 ⁰C), теплофизические свойства конденсата с,μ,λ можно определить при средней температуре конденсации пара

t_п=105,5 ⁰С.

При t_п=105,5 ⁰С

μ=0,237*10^-3 Па*с

λ=0,018 Вт/(м*К)

Теплоемкость конденсата с определим по правилу адитивности

Где С_i – теплоемкость компонентов конденсата.

Значения теплоемкости компонентов конденсата

С₁=0,49 ккал/(кг*⁰С)=0,49*4190=2053,1 Дж/(кг*К)

С₂=0,37 ккал/(кг*⁰С)=0,37*4190=1550,3 Дж/(кг*К)

С=2053,1*0,85+1550,3*0,15=1977,7 Дж/(кг*К)

Значения критериев Re₁ и Pr₁

Коэффициент теплоотдачи от пара к пластине α₁

Коэффициент теплоотдачи для жидкости α₂, движущейся в каналах, образованных гофрированными пластинами, рассчитывается

Где А’, β – коэффициенты, зависящие от режима течения и площади поверхности пластины; при турбулентном режиме течения Re=50-30000, Pr=0,7-80 и f=0,6 м² А’=0,135 и β=0,73. Теплофизические характеристики воды с_в, λ_в,ρ_в – входящие в критерии Re и Pr, определяются при средней температуре воды t_ср=32,5 ⁰С , а входящие в критерий Pr_ст – при температуре стенки t_ст2 со стороны воды.

Критерий Рейнольдса для воды

Примем (Pr/Pr_ст)^0,25=1,0. Тогда значение коэффициента теплоотдачи от пластин к воде α₂

Термические сопротивления загрязнений со стороны пара r₁ и воды r₂ принимаем такими же, что и в расчете кожухотрубчатых теплообменников.

Термическое сопротивление пластины r’₃ толщиной δ’_ст =0,001 м из нержавеющей стали с коэффициентом теплопроводности λ_ст=17,5 Вт/(м*К) r’₃=δ’_ст/λ_ст=0,0001/17,5=0,000057 (м²*К)/Вт

Сумма термических сопротивлений r

Расчетный коэффициент теплопередачи K_расч

Расчетная площадь поверхности теплопередачи F_расч

Запас площади поверхности теплопередачи ∆₄

Такой запас площади поверхности теплопередачи является допустимым.

Рассчитаем температуру стенок со стороны пара t_ст1 и со стороны воды t_ст2

Проверяем условие использование формулы

Разность температур между паром и стенкой ∆t больше 10 ⁰С, поэтому корректировок в расчет α₁ вносить не надо.

Проверяем допущение (Pr/Pr_ст)^0,25=1. Для температуры t_ст2=39,6 ⁰С критерий Прандтля Pr_ст=4,31. Тогда (Pr/Pr_ст)^0,25=(5,44/4,31)^0,25=1,05≈1, поэтому корректировок в расчет коэффициента теплоотдачи от пластины к воде α₂ вносить не требуется.

Для проверки правильности выполненных расчетов, найдем поверхностную плотность тепловых потоков со стороны пара q’, со стороны воды q’’, и передаваемую от пара к воде q’’’.

Расхождения величин q’ и q’’со значением q’’’ – отсутствуют, значит никаких корректировок в расчет вносить не требуется.

Проверим выполнение условия ∆t_ср=73,05 ⁰С

Требуемое условие выполняется, следовательно, расчеты выполнены верно.

Аппарат варианта 6 может быть использован, поэтому рассчитываем гидравлическое сопротивление ∆P₆ в пространстве воды

Где z₁ – число пакетов для теплоносителя; для однопакетной схемы z₁=1,0

W_ш – скорость теплоносителя в штуцерах аппарата на входе и выходе;

Ζ – коэффициент трения; ζ=B/Re^0,25; для пластины с f=0,6 м² и Re=50-30000 B=15,0

При скорости теплоносителя в штуцерах W_ш меньще 2,5 м/с их гидравлическое сопротивление можно не учитывать. Для пластины с f=0,6 м² диаметр условного прохода штуцеров d_у=0,2 м.

Скорость воды в штуцерах

Коэффициент трения ζ

Пренебрегая гидравлическим сопротивлением штуцеров (W_ш<2,5 м/с), определяем значение ∆Р₆