Главная | Обратная связь

Пример расчета пластинчатого подогревателя

Подобрать пластинчатый теплообменник для нагревания 40000 кг/ч бензола от температуры 30 ºС до температуры 75 ºС. Греющая среда – вода. Начальная температура воды 90 ºС конечная температура воды 60 ºС. Потери теплоты в окружающую среду примем в размере 5 % от полезной теплоты.

8.2.1. Схема аппарата представлена на рис. 8.15.

 

1 – Вход греющей среды; 2 – Выход греющей среды; 3 – Выход нагреваемой среды; 4 – Вход нагреваемой среды

 

Рис. 8.15. Схема одноходового пластинчатого подогревателя

 

 

8.2.2. Средняя движущая сила процесса. Бензол нагревается от 30 до 75 ºС. Вода охлаждается от 90 до 60 ºС. Теплоносители движутся в противо- токе (рис. 8.16).

t

60 ºС

 

90 ºС

∆tм 75 ºC

 

∆tб

 

30 ºС

 

S (l)

Рис. 8.16. График изменения температур теплоносителей в подогревателе

 

tб 60,0

30,0

15,0

30,0

 

2 .

30,0

ºС;

tм 90,0

75,0

15,0

ºС;

 

 

Отношение

tб

,

tм

 

значит, средняя движущая сила процесса будет

рассчитана как среднелогарифмическое.

 

 

tср

 

ln

15,0

21,6

ºС.

 

8.2.3.

Тепловая нагрузка и расход греющей воды. Составим уравнение теплового баланса. Часть тепла от воды переходит через стенку в окружаю- щую среду.

 

Qвода

Qбензол

Qп.

 

Тепловая нагрузка в теплообменном аппарате:

Q Q бензол ;

 

Gвода

Cвода (tвод.н

tвод.к )

Gбензол

Cбензол (tбензол, к

tбензол, н )

Qп;

 

Gвода

Cвода (tвод.н

tвод.к )

1,05Gбензол

Cбензол (tбензол.к

tбензол.н ) .

 

Удельная теплоемкость бензола при средней температуре потока рав-

t

ной

бензол ср

30,0 75,0

2

52,5

°С составит

Сбензол

1801,7 Дж/(кг·К).

Удельная теплоемкость воды при средней температуре потока равной

t

вода ср

90,0

60,0

75,0

°С составит

Свода

4190Дж/(кг·К) [14].

Определим расход греющей воды:

 

Gвода

1,05 40000 1801 ,7(75 30 )

 

7,525

 

кг/с.

4190 (90

60)

 

Определим тепловую нагрузку теплообменного аппарата:

 

Q 400001801,7(75

30)

900850 Вт.

 

8.2.4. Подбор аппарата. В соответствии с приложением 8 СП 41-101- 95 выберем теплообменный аппарат с пластинами типа 0,6 р, имеющий ха- рактеристики, приведенные в таблице 8.1.

Таблица 8.1 – Характеристики пластинчатого теплообменного аппарата с пластинами типа 0,6 р

 

Показатель	Значение
Габариты (длина × ширина × толщина), мм	1375×600×1
Поверхность теплообмена, м2	0,6
Масса, кг	5,8
Эквивалентный диаметр канала, м	0,0083
Площадь поперечного сечения канала, м2	0,00245
Смачиваемый периметр в поперечном сечении канала, м	1,188
Ширина канала, мм
Зазор для прохода рабочей среды в канале, мм	4,5
Приведенная длина канала, м	1,01
Площадь поперечного сечения коллектора (угловое отверстие на пластине), м2	0,0243
Наибольший диаметр условного прохода присоединяемого штуцера, мм
Коэффициент общего гидравлического сопротивления	15 /Re0,25
Коэффициент гидравлического сопротивления штуцера x	1,5
Коэффициенты: А Б	0,492 3,0

 

8.2.5. Оптимальное соотношение числа ходов. Определим оптимальное

соотношение числа ходов для греющей Хводаи нагреваемой Хбензолсреды находится по формуле [24]:

 

Х вода Х бензол

Gвода Gбензол

0,636

Рвода Рбензол

0,364

бензол ср

t

t

вода ,

ср

 

где

Х вода

– число ходов для греющей воды;

Х бензол

– число ходов для нагреваемого бензола;

Gвода

– расход греющей воды, кг/с;

Gбензол

Рвода

– расход нагреваемого бензола, кг/с;

– потери давления для греющей воды, Па;

Рбензол

t

бензол ср

вода

– потери давления для нагреваемого бензола, Па;

– средняя температура бензола, °С;

tср

– средняя температура воды, °С.

Х вода Х бензол

 

7,525 11,111

0,636

 

40,0 100,0

0,364

 

1000 52,5

1000 - 75,0

 

0,5727 .

 

Полученное соотношение ходов не превышает 2, значит для повышения скорости потоков и, следовательно, для эффективности теплообмена целесо- образна симметричная компоновка пластинчатого подогревателя (рис. 8.17).

 

 

Рис. 8.17. Схема симметричной компоновки пластинчатого теплообменика

 

8.2.6. Количество каналов для нагреваемой среды. Определим требуе- мое количество каналов по нагреваемому бензолу по формуле [24]:

 

mбензол

Gбензол ,

wопт fк

бензол

 

где

mбензол

Gбензол

– количество каналов по нагреваемому бензолу;

– расход бензола, кг/с

wопт

– оптимальная скорость бензола в канале, м/с;

fк– живое сечение одного межпластинчатого канала, м2;

бензол– плотность бензола при средней температуре потока, кг/м3.

 

При расчете оптимальная скорость нагреваемой среды в канале [24] принимается равной 0,4 м/с.

Плотность бензола при средней температуре потока равной

t

бензол ср

52,5

°С составит

 

бензол

844 ,25

кг/м3 [14].

 

mбензол

 

 

0,4

0,00245

 

844 ,25

 

13,43

14 .

 

8.2.7. Общая площадь живого сечения каналов в пакете для греющей и

нагреваемой среды. Компоновка подогревателя симметричная, то есть количе- ство каналов для нагреваемой среды будет равно количеству каналов для греющей среды и следовательно общие площади живых сечений каналов в пакетах для греющей и нагреваемой среды будут равны. Общие площади жи- вых сечений каналов в пакетах будут рассчитываться по следующей формуле:

 

fвода

fбензол

mбензол

fк ,

 

где

fвода

– общая площадь живого сечения каналов в пакете для греющей

воды, м2;

fбензол

 

– общая площадь живого сечения каналов в пакете для нагре-

ваемого бензола, м2.

 

fвода fбензол

 

 

14 0,00245

 

 

0,0343

 

 

м2.

 

8.2.8. Фактические скорости греющей и нагреваемой среды определя- ются по формуле:

 

w

G f ,

 

где w – фактическая скорость среды, м/с;

G – массовый расход среды, кг/с

f – общая площадь живого сечения каналов в пакете среды, м2; – плотность среды при средней температуре потока, кг/м3.

 

Фактическая скорость нагреваемого бензола:

 

 

w 0,384

м/с.

 

 

Плотность воды при средней температуре потока равной

t

вода ср

75,0

°С составит вода 975

кг/м3. Тогда фактическая скорость

греющей воды составит:

 

 

w 0,225

м/с.

 

 

8.2.9. Схема теплопередачи через стенку пластины представлена на рис. 8.18.

 

 

Рис. 8.18. Схема теплопередачи через стенки пластин подогревателя

 

8.2.10.

Расчёт коэффициента теплоотдачи. Коэффициенты теплоот- дачи для греющей воды и нагреваемого бензола рассчитываются по следую- щей формуле [24]:

 

1,16А

283tср

0,63t 2

w0,73 ,

 

ср

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

А – коэффициент, зависящий от типа пластин, 0,492;

Тогда коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины составит:

 

 

вода

1,16

0,492 23000

283 75

0,63

0,2250,73

7814,67

Вт/(м2·К).

 

Коэффициент теплоотдачи для нагреваемого бензола составит:

 

 

бензол

1,16

0,492 23000

283 52,5

0,63

52,52

0,3840,73

10250,51Вт/(м2·К).

 

8.2.11.

Расчет коэффициента теплопередачи:

 

K 1

вода

rст

1 ,

бензол

 

где

rст

– термические сопротивления стенки с учетом загрязнении, (м2· К)/Вт.

Термические сопротивления стенки с учетом загрязнении рассчитывают- ся по формуле:

 

rст

rзагр1

rзагр 2 ,

 

 

где

rзагр1– термические сопротивления загрязнений со стороны греющей

воды, 2900

(м2·К)/Вт [14];

rзагр2

– термические сопротивления загрязнений со стороны нагре-

 

ваемого бензола, 5800

(м2·К)/Вт [14];

ст– толщина стенки, м;

ст – теплопроводность материала стенки, для нержавеющей стали 17,5 Вт/(м·К) [14].

 

rст

0,001

17,5

1 2900

1 5800

5,74 10

(м2·К)/Вт.

 

Тогда коэффициент теплопередачи от греющей воды к нагреваемому бензолу составит:

 

K

7814,67

5,74 10 4

 

10250,51

1250,75

 

Вт/(м2·К).

 

8.2.12.

Площадь поверхности теплопередачи. Необходимая площадь поверхности теплопередачи рассчитывается по формуле:

 

S Q

900850

33,35 м2.

K tср

1250,75

21,6

 

8.2.13.

Количество ходов в теплообменном аппарате. Количество ходов в пластинчатом теплообменном аппарате рассчитывается по формуле [24]:

 

Х ,

 

где Х – количество ходов в пластинчатом теплообменном аппарате;

fпл

–поверхность нагрева одной пластины, м2.

 

вит:

Тогда количество ходов в пластинчатом теплообменном аппарате соста-

 

Х 33 ,35 0,6

2,02 .

2 14

0,6

 

Примем число ходов равным двум.

 

8.2.14.

Действительная поверхность нагрева для всего подогревателя рассчитывается по формуле [24]:

 

Sдейств

(2mбензол X

1) fпл,

 

где

Sдейств

– действительная площадь поверхности нагрева, м2.

 

Sдейств

(2 14 2

1)0,6

32,4 м2.

 

8.2.15.

Потери давления в пластинчатом теплообменнике. Потери давле- ния в пластинчатом теплообменном аппарате рассчитываются по формуле [24]:

 

Р Б(33

0,08

tср)w1,75 Х ,

 

где Р – потери давления в пластинчатом теплообменном аппарате, кПа;

– коэффициент, учитывающий накипеобразование;

Б – коэффициент, зависящий от типа пластины, равняется 3. Коэффициент учитывающий накипеобразование, для греющей сете-

вой воды принимается равным единице, а для нагреваемой среды должен приниматься по опытным данным, при отсутствии таких данных можно при- нимать равным от 1,5 до 2,0 [24].

Тогда потери давления в пластинчатом теплообменном аппарате для греющей воды составят:

 

Рвода

1 3(33

0,08

75)0,2251,75 2

25,86

кПа.

 

Потери давления в пластинчатом теплообменном аппарате для нагре- ваемого бензола составят:

 

Рбензол

1,5

3(33

0,08

52,5)0,3841,752

48,55

кПа.

 

В результате расчета в качестве подогревателя принимаем пластинча- тый теплообменный аппарат разборной конструкции (Р) с пластинами типа 0,6р, толщиной 1 мм из стали 12Х18Н10Т (исполнение 01) на двухопорной раме (исполнение 2К) с уплотнительными прокладками из резины марки 4326-Г (условное обозначение 1). Поверхность нагрева теплообменного ап- парата составляет 32,4 м2. Условное обозначение такого аппарата: Р 0,6р-1- 32,4-2К-01-1, его габариты 605×750×1800 мм [24].