Расчет спирального теплообменника

ФГБОУ ВПО “МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

                                                                     

Институт Экономики и  Управления в Строительстве

 

Кафедра информационных систем, технологий и автоматизации в  строительстве

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

На тему:

 

 

 

«Расчет спирального теплообменника»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент ИСТАС – III – 4

Зеленин Е. Г.

 

Руководитель проекта

зав. кафедры, канд. тех. наук,

 профессор Горюнов И. И.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2013 

Задание.

Необходимо рассчитать спиральный теплообменник, т.е. найти площадь теплообмена, диаметр аппарата, длину листов спирали. Для этого необходимо знать следующие данные:  бензол 8 т/ч, охлаждается от температуры кипения 80 ºС до 25 ºС водой с начальной температурой 15 и конечной 60 ºС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками. В ряде случаев целевое назначения имеют оба процесса – нагревание холодного теплоносителя и охлаждение горячего. Тогда теплообменные аппараты называют собственно теплообменниками.

Часто в теплообменных  аппаратах в процессе теплообмена  происходит изменение агрегатного  состояния одного из теплоносителей: конденсация горячего или испарение  холодного теплоносителя. В этих случаях аппараты называют конденсаторами или кипятильниками.

По способу передачи тепла  различают следующие типы теплообменных аппаратов:

• поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, 
  причем тепло передается через поверхность стенки путем конвекции в 
  теплоносителях и теплопроводности стенки;
• регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего 
  теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода, и про 
  исходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника. Существенным недостатком регенеративных теплообменников является изменение температуры поверхности насадки во времени, что в некоторых 
  случаях не обеспечивает постоянства конечной температуры нагреваемого 
  или охлаждаемого теплоносителя;
• смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредст- 
  венном соприкосновении теплоносителей. Применение смесительных тепло- 
  обменников ограничено только теми случаями, когда по технологическим 
  условиям допустимо разбавление нагреваемого или охлаждаемого вещества 
  водой.

Поэтому в химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, которые, в свою очередь, разделяются на трубчатые, пластинчатые, спиральные, с поверхностью, образованной стенками аппарата, с оребренной поверхностью теплообмена.

К конструкции теплообменных  аппаратов предъявляется ряд  требований: они должны отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможно меньшее загрязнение поверхности теплообмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.

Этим требованиям во многом отвечают спиральные теплообменники, поверхность теплообмена в котором  образуется двумя металлическими листами свернутыми в спирали, образующие два спиральных прямоугольных канала, по которым двигаются теплоносители. Внутренне концы спиралей соединены разделительной перегородкой - керном. Для придания спиралям жесткости и фиксирования расстояния между ними служат металлические прокладки. Система каналов закрыта с торцов крышками.

 

Принцип работы

 

 

Два или  четыре длинных металлических листа  укладываются спиралью вокруг центральной  трубы, образуя два или четыре однопроточных канала. Для того, чтобы обеспечить постоянную величину зазоров к одной стороне листов привариваются разделительные шипы. Центральная труба при помощи специальной перегородки разделена на две камеры, которые образуют входной и выходной коллектора. Скрученные спирали помещаются в цилиндрический кожух. Внешние концы спиральных листов привариваются вдоль образующей обечайки. Для выхода каналов наружу в местах фиксации краев каналов в кожухе просверливаются отверстия, которые герметично закрываются входным и выходным коллекторами с присоединительными патрубками.

Движение  потоков в спиральных теплообменниках  происходит по криволинейным каналам  близким по форме к концентрическим  окружностям. Направление векторов скоростей движения потоков постоянно  претерпевают изменение. Геометрия  каналов и разделительные шипы создают  значительную турбулентность уже при  низких скоростях потоков, при этом улучшается теплопередача и уменьшается  загрязнение. Все это обуславливает  компактность конструкции спиральных теплообменников, которые могут  быть интегрированы с любой технологической  линией, что значительно сокращает  затраты на установку.

Благодаря прочной и жесткой цельносварной  конструкции, а так же тому, что  спиральные теплообменники мало подвержены загрязнению, затраты на их обслуживание сведены до минимума.

Поскольку геометрия каналов может быть изменена в широких пределах, спиральные теплообменники действительно оптимально адаптируются к требованиям Заказчика. Несмотря на изменяющиеся массовые расходы и различия в требуемых температурах, спиральный теплообменник зачастую позволяет осуществлять теплопередачу в одном и том же устройстве на разных режимах и неполной нагрузке.

По сути, спиральные теплообменники представляют собой длинные щелевые однопроточные  каналы, свернутые в спираль. Таким  образом, в спиральных теплообменниках  может быть достигнута практически  любая тепловая длина взаимодействия двух сред, а значит и разность температур потоков меньше 3 °С. При этом, в спиральных теплообменниках возможен нагрев или охлаждение «проблемных» технологических сред, для которых недопустимы резкие повороты потоков, провоцирующие блокировку каналов. В спиральных теплообменниках существует большое разнообразие вариантов изготовления разделительных перегородок центральной трубы. Каждый адаптирован к выполнению определенных задач и позволяет выбрать оптимальное решение для любого применения.

Возможные конфигурации потоков:

1. Противоток (наиболее часто);
2. Перекрестные потоки (обычно в конденсаторах и испарителях);
3. Параллельные потоки (редко);
4. Комбинации вышеназванных.

 

Задачи, решаемые помощью спиральных теплообменников:

1. Охлаждение;
2. Нагрев;
3. Рекуперация тепла;
4. Конденсация;
5. Испарение;
6. Термосифон;
7. Ребойлер.

Рабочие среды спиральных теплообменников:

1. жидкости;
2. суспензии;
3. жидкости, содержащие волокна и твердые частицы;
4. вязкие жидкости;
5. неньютоновские жидкости, включая различные гидросмеси, растворы полимеров;
6. сточные воды;
7. пары с инертными газами и без них;
8. прочее…

Преимущества  спиральных теплообменников

1. Широкий диапазон рабочих температур (до 400 К) и давлений (до 1 МПа)
2. Компактная конструкция (например, 700 м² в 6 м³);
3. Широкий рабочий диапазон (10 – 100% от расчетной нагрузки);
4. Высокие коэффициенты теплопередачи;
5. Высокая турбулентность;
6. Пониженная загрязняемость;
7. Высокий самоочищающий эффект при применении сильно загрязненных жидкостей;
8. Легкая очистка механическим и химическим способом;
9. Отсутствие ограничений при выборе величины зазора канала;
10. Массовые расходы по обеим сторонам могут значительно отличаться;
11. Низкие потери давления;
12. Большой выбор материалов уплотнений;

 

В спиральных теплообменниках поверхность теплообмена  образована двумя стальными листами  толщиной 2–4 мм, свернутыми на специальном станке в спирали. Между листами при помощи приваренных дистанционных штифтов сохраняется одинаковая по всей спирали расстояние – 8 или 12 мм. Таким образом, получаются два спиральных канала, заканчивающихся в центре двумя полуцилиндрами, отделенными друг от друга перегородками. К периферийной части листов приварены коробки. Каждый цилиндр с торцовой стороны и каждая коробка имеют штуцер для входа или выхода теплоносителя. Для герметизации используют прокладки из резины, паронита, асбеста или мягкого материала. Согласно ГОСТ 12067–72, спиральные теплообменники имеют поверхность теплообмена от 10 до 100 м², работают при давлениях до 1 МПа и температуре от -20 до +200°С.

 

Преимущества спиральных теплообменников:

• компактность;
• возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими скоростями, что обеспечивает большой коэффициент теплопередачи;
• малое гидравлическое сопротивление по сравнению с другими типа 
  ми поверхностных теплообменников.

Недостатками спиральных теплообменников являются:

        -  сложность изготовления и ремонта;

    - пригодность для работы под избыточным давлением не более О,6 МПа.

Спиральные теплообменники могут использоваться как для  теплообмена между двумя жидкими теплоносителями, так и для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью.

В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар имеющий целый ряд достоинств:

- высокий коэффициент теплоотдачи;

- большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;

- равномерность обогрева, так как. конденсация пара происходит при постоянной температуре;

- легкое регулирование обогрева.

 

Области применения:

• нефтехимическая промышленность
• пищевая промышленность
• производство растительного масла
• фармацевтическая промышленность
• металлургическая промышленность
• горнодобывающая промышленность
• целлюлозно-бумажная промышленность
• водоочистка

Типы сред:

• Жидкости, образующие отложения, содержащие твердые частицы, волокна, щелок, шлам, взвеси и суспензии
• Газы: чистый пар и его смеси с инертными газами

 

При охлаждении в кожухотрубных теплообменниках в качестве хладоагента может использоваться речная или артезианская вода, а в случае, когда требуется получить температуру ниже 5 °С применяют холодильные расолы (водные растворы CaCL₂, NaCl, и др.).

 

1. Выбор конструкционного материала

Так, как бензол является коррозионно-активным веществом, то в  качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, стойкую в агрессивных средах до температур порядка 600 °С.

ПЕ

РЕ

Н

Вода

ТС

Вода

2. Технологическая схема

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Бензол, с помощью центробежного насоса Н, подается в спиральный теплообменник ТС, где охлаждается за счет нагревания охлаждающей воды и затем самотеком поступает в приемную емкость ПЕ. Вода, выйдя из теплообменника,  сбрасывается в канализацию или используется в качестве оборотной.

3. Технологический  расчет

 

Тепловой баланс аппарата

Qбензола = G₁c₁(t_1н – t_1к),

где с₁ = 1,88 кДж/(кг×K) – теплоемкость бензола при 51,9°С [1c. 564],

      G₁ – массовый расход бензола.

G₁ =  8000/3600 = 2,22 кг/с.

Q бензола= 2,22×1,88×(80– 25) = 230 кВт.

G₂ = Q/[c₂((t_2к – t_2н) ] =  230/[4,19×(60 – 15)] = 1,22 кг/с,

где с₂ = 4,19 кДж/кг – теплоемкость воды.

Qводы=1,22*4,19*(60-15)=230 кВт

Qбензола = G₁c₁(t_1н – t_1к)= G₂c₂(t_2н – t_2к)=Qводы=230 кВт

 

Средняя разность температур. Движущая сила теплообмена.

Температура кипения бензола  t_1н = 80 ºС

Принимаем противоточный  режим движения теплоносителей, тогда

  большая разность температур:

Dt_б = t_1н – t_2к =  80 – 60 = 20 °С;

меньшая разность:

Dt_м= t_1к– t_2н= 25 – 15 = 10 °С

Отношение Dt_б/Dt_м = 20/10 = 2, следовательно, средняя движущая сила процесса:

= (20 – 10) / ln(20/10) = 14,4° C.

Средняя температура воды:

t_2ср = (t_2к+t_2н)/2 = [15+ 60)]/2 = 37,5° С.

Средняя температура бензола

t_1ср = t₁ + Dt_cр = 37,5 + 14,4 = 51,9° С.

Размер каналов

Задаемся скоростью движения бензола w₁ = 1 м/с, тогда площадь поперечного сечения канала составит:

S₁ = G₁/(r₁w₁) = 2,22/(842×1) = 0,0026 м²,

где r₁ = 842 кг/м³ – плотность бензола [1c. 512].