Vedernikova_M.I,_Talankin_V

Расчетная поверхность получилась больше принятой, поэтому необходимо применить более сложную компоновку пластин. С целью увеличения коэффициента теплопередачи необходимо увеличивать α1 =1305Вт/(м2·К), так как коэффициент теплопередачи К в расчете всегда

получается меньше меньшего α. Очевидно, целесообразно увеличить скорость движения теплоносителя (бутилового спирта), т.е. увеличить число ходов.

Выбираем компоновку пластин из четырех несимметричных пакетов

по схеме: Сx = 4 + 4 + 4 +5 ,

6 +6 +6 +7

где 4 – количество каналов в пакете для бутилового спирта, m1=4; 6 – количество каналов в пакете для воды, m2=6;

4 – количество последовательно включенных пакетов (ходов) для одной и другой среды.

Повторный расчет

w1

=

G1

=

2,43

= 0,299

м/с;

m1ρ1S

4 776 26,2

10−4

Re

=

0,299

7,4 10−3776

=1501 >

50;

1

1,1 10−3

Pr1 = 24,7;

α17,4

10−3

0,73

24,7

0,43

;

0,127

= 0,135

1501

G2

α1 =1972Вт/(м2·К);

w2

=

=

5,19

= 0,332

м/с;

m2ρ2S

6 995 26,2

10−4

Re2 =

0,332

7,4 10−3 995

=3098 >50,

0,789 10−3

Pr2 =5,3;

α2 7,4

10−3

0,73

0,43

;

0,62

= 0,135

3098

5,3

α2 = 8193 Вт/(м2·К);

1

=

1

+0,00057 +

1

;

K =834 Вт/(м2·К);

К

1972

8193

F

= 607153,2 / 834 34,7 = 21, м2.

р

21

Принимаем к установке разборный пластинчатый теплообменник типа ТПР (исполнение I) поверхностью теплопередачи F = 25 м2; поверхность пластины f = 0,6 м2; количество пластин 42 шт., масса аппарата 1350 кг.

Гидравлическое сопротивление холодильника

Исходные данные

Теплоноситель – бутиловый спирт

= 7,4 10−3

w

1

= 0,229 м/с;

Re =1561 >50 ;

x

1

= 4

; L

п

= 0,89

м;

d

э

м;

ρ

= 776кг/м3; d

1

= 0,2

шт.1

м [4, таблица 22].

1

Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном ре-

жиме по формуле (14) ξ1 :

		ξ =		15			=	15	= 2,39 .
		1		Re0,25				15610,25
Скорость движения спирта в штуцерах wшт.1, м/с:
wшт.1 =		G1			=			2,43		= 0,1м/с < 2,5 м/с,
	ρ	0,785d	2			776		0,785 0,22
1			шт.1

поэтому гидравлическое сопротивление в штуцерах не учитываем.

Гидравлическое сопротивление холодильника для бутилового спирта

∆P1, Па:

		L	п		ρ w2		4 2,39 0,89		776	0,2992
∆P	= x ξ				1 1	=	0,0074			2	= 39883	Па.
1	1 1	dэ			2

Исходные данные

Теплоноситель –охлаждающая вода

w2 = 0,332м/с; Re2 =3098 >50 ; x2 = 4 ; Lп= 0,89 м; dэ = 7,4 10−3 м;

ρ2 = 995 кг/м3; dшт.2 = 0,2м [4, таблица 22].

Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном ре-

жиме по формуле (14) ξ2 :

ξ2 = Rе150,25 = 3098150,25 = 2,01.

22

Скорость движения воды в штуцерах wшт.2 ,м/с:

wшт.2	=		G2		=	5,19		= 0,166	м/с < 2,5 м/с,
		ρ2	0,785dшт2	.2		995 0,785	0,22

поэтому гидравлическое сопротивление в штуцерах не учитываем.

Гидравлическое сопротивление холодильника для охлаждающей воды

∆P2 , Па:

∆P	= x		ξ		Lп		ρ2ω22	=	4 2,01 0,89		995 0,1662	=13256 Па.
									0,0074		2
2		2		2 dэ			2

Пример расчета пластинчатого конденсатора (дефлегматора)

Исходные данные

Выбрать тип, рассчитать и подобрать нормализованную конструкцию пластинчатого конденсатора для конденсации паров этилового спирта в количестве G1 = 0,3 кг/с. Охлаждающий агент – вода.

Параметры хладоагента (вода)

Температура, 0С

вход t2н ……………………………………………………….20

выход t2к ……………………………………………………….40

Р е ш е н и е. На рис. 11 показано изменение температур потоков, а на рис. 12 – схема теплопередачи в конденсаторе.

t					δст
	Спирт этиловый				q
	t1 = 78,30 С			r1	r
	t		= 78,30	С	2
		1			t2 =300 С
t2к = 400 С
	Вода		Спирт
			этиловый		Вода
	t2н = 200 С			α1	α2
	l
					λст

Рисунок 11 – Изменение	Рисунок 12 – Схема
температур	теплопередачи
теплоностителей	в конденсаторе
	23

Средняя температура воды t2 , 0С:

t2 = 0,5(t2н + t2к) = 0,5(20 + 40) = 30 0С .

Средняя разность температур ∆tср, К:

	∆tср =	∆tб − ∆tм	=	(78,3 − 20) −(78,3 − 40)			= 71,4К.
		ln(∆tб / ∆tм )		ln(	78,3	− 20
					78,3	− 40)

Теплофизические свойства этилового спирта (конденсата) определяются при температуре конденсации t1= 78,3 0С [1, таблица XLIV; 3, табли-

ца 23], а не	при средней температуре пленки конденсата
tпл = 0,5(t1 + tст1),	так как толщина пластины δпл =1мм и температура

стенки tст1 практически близка к температуре конденсацииt1. Принимаем

∆t = t1 − tст1 =1К.

Теплофизические свойства этилового спирта (конденсата) при t1 = 78,30С

	Плотность [1, таблица III; 3, таблица 23]	ρ1 = 790 кг/м3
	Теплопроводность [1, рисунок Х; 3, рисунок 4]	λ1 = 0,27 Вт/(м∙К)
	Теплоемкость [1, рисунок ХI; 3, рисунок 3]	с1 =3226Дж/(кг∙К)
	Динамическая вязкость [1, рисунок V; 3, рисунок 2]	µ = 0,44 10−3 Па∙с
	Теплота конденсации	1
		r1 = 849 кДж/кг
	[1, таблица XLV; 3, таблица 37]

Теплофизические свой ства охлаждающей воды при t2 = 30 0С

Плотность	ρ2 = 996 кг/м3
Теплопроводность	λ2 = 0,618Вт/(м∙К)
Теплоемкость	с2 = 4180 Дж/(кг∙К)
Динамическая вязкость	µ2 = 0,804 10−3 Па∙с
Все константы ρ2 , λ2 , с2	и µ2 , взяты из справочников [1, табли
ца ХХХIХ; 3, таблица 36].
Тепловая нагрузка Q , Вт:

Q = G1r1 = 0,3 849 103 = 254700 Вт.

24

	Расход охлаждающей воды G2 , кг/с:
	G2 = Q / с2 (t2к − t2н) =	254700	=3,047 кг/с.
		4180(40 −20)

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи принимается по данным [1, таблица 4.8]. При вынужденном движении охлаждающей воды рекомендуется принимать Кор = 300...800 Вт/(м2∙К) при конденса-

ции органических паров. Коэффициент теплопередачи в пластинчатых теплообменниках выше, чем их ориентировочные значения, приведенные в справочнике [1]. Примем Кор =1000 Вт/(м2∙К).

Ориентировочная поверхность теплопередачи Fор, м2:

Fор = Q /Kор∆tср = 254700 /1000 71,4 = 3,57 м2.

Рассмотрим пластинчатый теплообменник типа ТПР (исполнения I) поверхностью F = 4 м2; поверхность пластины f = 0,3м2, количество пла-

стин N = 16 шт. [4, таблица 24].

Техническая характеристика пластин f = 0,3 м2 [4, таблица 22]

Эквивалентный диаметр канала 103 dэ, мм ..………………………..8

Поперечное сечение канала 104 S, м2 ………...……………………...11

Приведенная длина канала Ln , м …………..…………………….1,12

Габаритные размеры, мм длина ……………………………………………..1370

ширина ………………………………..……………300

толщина …………………………………………….1,0

Масса пластины, кг ………………………………………………….3,2

Все константы ρ2 , λ2 , с2 и µ2 взяты из справочников [1, таблица ХХХIХ; 3, таблица 36].

Конденсаторы имеют однопакетную компоновку пластин по стороне хода пара.

Схема однопакетного пластинчатого конденсатора, состоящего из 16 пластин: Сх 88 имеет по восемь параллельных каналов для каждого теплоносителя.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации паров этилового спирта при ∆t ≤10 К определяется по формуле (11) α1,Вт/(м2·К):

25

α1 =1,154

λ3ρ2r q

=1,154

0,2737902849 1039,81

= 4365

Вт/(м2·К),

1 1 1

0,44 10−31 1,12

µ1∆tLп

где ∆t = t1 − tст

=1К (принято).

Скорость воды в восьми каналах (m2 = 8) w2 , м/с:

w2 =

G2

=

3,047

= 0,348 м/с.

m2ρ2S

8 996 11 10−4

Критерий Рейнольдса

Re :

0,348 8 10−3

Re2 =

w

2

d

э

ρ

2

=

996

=3449.

µ2

0,804 10−3

Критерий Прандтля Pr :

0,804 10−3 4180 =5,44.

Pr

=

µ2c2 =

2

λ2

0,618

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде по формуле (10)

α2, Вт/(м2 ·К):

		Nu		=	α2dэ	= 0,1Re		0,73	Pr 0,43
			2					2
					λ2					2
		α2 8 10−3					0,73			0,43
		0,618 = 0,1 3449						5,44			;
				α2 = 6120 Вт/(м2·К).
Принимаем:
–	r	= 11600 Вт/(м2·К) [1, таблица XXXI; 3, таблица 39 ] – тепловая
	1

проводимость загрязнений со стороны бутилового спирта;

– r2 = 2900 Вт/(м2·К) [1, таблица XXXI; 3, таблица 39 ] – тепловая

проводимость загрязнений со стороны воды среднего качества;

– λст =17,5 Вт/м·К [1, таблица XXXVIII; 3, таблица 17] - теплопро-

водность нержавеющей стали;

– δст = 1·10-3 м – толщина гофрированной пластины.

Общее термическое сопротивление Rпт , (м2·К)/Вт:

Rпт =	1	+	δст		+	1	=		1	+	1 10−3	+	1	= 0,00057 (м2·К)/Вт.
	r					r		11600			17,5		2900
			λ	ст
	1					2

26

Коэффициент теплопередачи K , Вт/(м2·К):

1	=	1	+Rпт +	1	=	1	+0,00057 +	1	= 0,000926 (м2·К)/Вт;
К						4365		6120
		α1		α2

К =1080 Вт/(м2·К).

Расчетная поверхность теплопередачи Fр, м2:

Fр = Q / K∆tср = 254700 /1080 71,4 = 3,3 м2.

Принятый нормализованный пластинчатый теплообменник поверхностью Fр = 4 м2 подходит с запасом поверхности теплопередачи ∆, %:

∆ = 4 −3,33,3 100 = 21,2%.

Принимаем к установке разборный пластинчатый теплообменник типа ТПР (исполнения I) поверхностью теплообмена F = 4 м2; поверхностью пластины f = 0,3м2; количество пластин 16 шт., масса аппарата 320 кг.

Гидравлическое сопротивление конденсатора

Исходные данные

Теплоноситель – охлаждающая вода

Lп=1,12м; dэ = 8 10−3 м;

w2 = 0,348м/с; Re2 =3449 >50 ;

x2 =1;

ρ2 = 996 кг/м3;

dшт.2 = 0,065 м [4, таблица 22]. Режим движения воды тур-

булентный.

сопротивления при Re2 =3449 >50 по

Коэффициент

гидравлического

формуле (14) ξ2 :

19,3

19,3

ξ2 =

=

= 2,52.

Rе0,25

34490,25

Скорость движения воды в штуцерах wшт.2 , м/с:

wшт.2 =

G2

=

3,047

= 0,92 м/с<2,5 м/с,

ρ2 0,785dшт2 .2

996

0,785 0,0652

поэтому гидравлическое сопротивление в штуцерах не учитываем.

Гидравлическое сопротивление конденсатора ∆P2 , Па:

∆P	= x		ξ		Lп		ρ2w22	=	1 2,52 1,12		996 0,3482	= 21277 Па.
									8 10−3		2
2		2		2 dэ			2
									27

Основные условные обозначения

c– средняя массовая теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·К); D – диаметр кожуха, м;

d– внутренний диаметр теплообменных труб, м;

F	– поверхность теплопередачи, м2;
G	– массовый расход теплоносителя, кг/с;
g	– ускорение свободного падения, м/с2;

K– коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К);

L– длина теплообменных труб, м;

l	– определяющий размер в критериях подобия, м;
N	– число пластин, шт., мощность, кВт;
n	– число труб; число параллельных потоков, шт.;
m	– количество каналов в потоке, шт.;
p,k	– количество последовательно включенных пакетов (ходов), шт.;
P	– давление, Па;
∆P	– гидравлическое сопротивление, Па;
Q	– тепловая нагрузка, Вт;

q– удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;

J – энтальпия, кДж/кг;

r– удельная массовая теплота конденсации (испарения), Дж/(кг·К);

r	– термическое сопротивление слоя загрязнений, Вт/(м2·К);
з	– площадь поперечного сечения потока, м2;
S
t	– температура, 0С;
∆t	– разность температур стенки и теплоносителя, К;

w– скорость движения теплоносителя, м/с;

α– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);

δст	– толщина стенки теплопередающей поверхности, м;
λ	– теплопроводность; коэффициент трения, Вт/(м·К);
µ	– динамическая вязкость, Па·с;

ρ– плотность, кг/м3;

ξ– коэффициент местного сопротивления;

Re = wlρ/ µ – критерий Рейнольдса;

Nu = αl / λ – критерий Нуссельта;

Pr = cµ/ λ – критерий Прандтля;

Индексы

1– теплоноситель с большей средней температурой (горячий);

2– теплоноситель с меньшей средней температурой (холодный);

н– начальное значение; наружный размер; насос;

к – конечное значение; кожух; ст – стенка; шт – штуцер; р – расчетный;

ор – ориентировочный.

28

Список рекомендуемой литературы

1.Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст] / К.Ф. Павлов, П.Г. Романов, А.А. Носков.

Л.: Химия, 1987. 575 с.

2.Пластинчатые теплообменные аппараты. Каталог. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1983. 56 с.

3.Процессы и аппараты химической технологии: справочные материалы: учеб. издание / сост. к.т.н. В.П. Орлов – Екатеринбург: УГЛТУ, 2002. 121 с.

4.Стандартное оборудование для переработки растительного сырья. Ч.IV. Теплообменные аппараты: справочные материалы: учеб. издание / сост. к.т.н. М.И. Ведерникова, В.Б. Терентьев, В.С. Таланкин, Ю.Л. Юрьев

–Екатеринбург: УГЛТУ, 2007. 100 с.

Содержание
Общие сведения...................................................................................................	3
Технологический расчет пластинчатого теплообменника............................	12
Пример расчета пластинчатого холодильника...............................................	16
Пример расчета пластинчатого конденсатора (дефлегматора)....................	23
Основные условные обозначения....................................................................	28
Список рекомендуемой литературы................................................................	29

29