Пластинчатый теплообменник

Выбор взаимного направления движения рабочих сред в аппарате должен производиться  так, чтобы обеспечить:

1) наибольший средний температурный напор, с которым связано получение при прочих одинаковых условиях наибольшей тепловой производительности аппарата, или сокращение размеров поверхности теплопередачи и затрат материала на ее изготовление;

2) наилучшее использование сред в смысле получения наибольшего изменения их температур  и при котором достигается минимальный расход этих сред;

      3) возможно менее «высокую» температуру стенок аппарата с целью уменьшения температурных деформаций и устранения неблагоприятных условий работы прокладок.

Наиболее  выгодно противоточное движение рабочих сред.

Рисунок 4. График изменения рабочих сред в противоточном теплообменнике.

Схема потоков:

                                  

                                                       

                                    

Можно определить по формуле и по номограмме:

(1.3.1)

 

                                          12 °C[приложение 4,стр.27]

 

4.    Скорость движения теплоносителей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5. Схема расположения потоков в пластинчатом теплообменнике.

 

Задаемся ориентировочным значением коэффициентом теплопередачи [приложение 5,стр.29]

 

 

- коэффициент общего гидравлического  сопротивления канала, принимаем ζ=1,5 [приложение 3 стр.25]

 

   _(1.3.2)

  - максимально допустимое гидравлическое сопротивление по стороне хода греющего теплоносителя и нагреваемого теплоносителя (располагаемый напор для преодоления гидравлических сопротивлений) из задания                                   

_{Критерий Рейнольдса}

                                                                 _(1.3.3)

                              

- эквивалентный диаметр межпластинного канала (по заданию),

           -  кинематическая вязкость воды (по заданию),

                                                                                                

 

 

_{Проверка  принятого значения}

                                                            _(1.3.4)

 

 

где a- постоянная величина, зависящая от типа пластин, a=15 [приложение 9,стр.32 ]

c- эксплуатационный коэффициент, учитывающий загрязнения пластин. На основе приведенных исследований можно принимать c=1,2-1,3 [приложение 9, стр. 32]

 

_{Критерий Прандтля при средней температуре греющего и нагреваемого теплоносителя}

                                                  _(1.3.5)

                  _(1.3.6)

                                               _(1.3.7)

                      _(1.3.8)

- теплопроводность воды,

- теплопроводность воды, , из условия.                                                                

Температура стенки аппарата необходима для выбора допускаемых напряжений, определения температурных удлинений, оценки температурных напряжений, оценки скорости коррозии. Температура стенки всегда ближе к температуре той среды, со стороны которой теплоотдача выше.                                        _(1.3.9)

_{По    определим теплофизические свойства воды [приложение 2,стр. 24]}

 

                     _(1.3.10)

_{Коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника может быть определен расчетным путем по методике УкрНииХимМаш, согласно которой критерий Нуссельта определяется из формулы:}

_{Критерий Нуссельта}

                                                 _(1.3.11)

_{Коэффициент A различен для различных пластин.}

_{A = 0,135 для пластин с поверхностью нагрева   0,6м² [11]}

_{Коэффициент теплоотдачи:}

                           _(1.3.12)

_{Коэффициент теплопередачи, отнесенный к поверхности теплопередачи для плоской стенки, может быть найден по формуле:}

                                                                _(1.3.13)

где β – коэффициент, учитывающий уменьшение коэффициента теплопередачи из-за

термического  сопротивления накипи и загрязнений  на пластине, в зависимости от качества воды принимается равным 0,7 - 0,85,принимаем 0,8.

α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к пластине и от пластины к холодному теплоносителю соответственно, Вт/м²°С;

_{δ  - толщина пластины, δ=0,8мм [ приложение 6, стр. 30],}

_{λ  - теплопроводность стали  марки AISI 316, λ=16,3 Вт/м∙К. [приложение 7, стр. 30].}

_{5.      Площадь поверхности теплообмена.}

 

                                        _(1.3.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Конструктивный расчет.

 

Задача  конструктивного расчета состоит в определении при номинальном режиме и заданной тепловой производительности геометрических размеров теплообменника.

Для конструктивного расчета используем результаты теплового расчета.

Порядок конструктивного  расчета:

1. Определение площади поперечного сечения пакета:

             _(2.1)

 

2. Определяем число параллельных каналов в пакете для каждой среды:

 

                                                _(2.2)

Принимаем          

- площадь поперечного сечения  одного канала (по заданию),

 

3. Число пластин в пакете:

 

                                           _(2.3)

 

4. Площадь поверхности теплообмена одного пакета:

 

                                       _(2.4)

- площадь поверхности теплообмена одной пластины (по заданию),

 

5.       Число ходов (пакетов) в теплообменнике:

 

                                                   _(2.5)

 

Принимаем       , 

 

5. Расчетное число пластин в аппарате

 

 

                                      _(2.6)

 

6. Фактическая площадь поперечного сечения пакетов:

 

                                         (2.7)                                      

 

3. Поверочный расчет.

 

Цель поверочного расчета:

 

• Определение конечной (или  начальной) температуры нагреваемой или охлаждаемой рабочей среды;
• Определение тепловой нагрузки аппарата Q,если заданы температурные условия его работы.

 

1. Фактическая скорость движения греющего теплоносителя  и нагреваемого теплоносителя в  каналах теплообменника:

 

 

                      (3.1)

                                  

2. Проверим величину выбранной площади поверхности теплообмена при фактических скоростях рабочих сред:

 

критерий  Рейнольдса:

 

            (3.2)

критерий  Нуссельта:

 

              (3.3)

 

коэффициент теплоотдачи:

 

 (3.4)

коэффициент теплопередачи:

 

     _(3.5)

 

площадь поверхности  теплообмена:

 

                                                                    (3.6)                                       

 

средний температурный напор:

 

                                                                            (3.7)                                        

 

уточняем температуру 

 

                                                  (3.8)              

                    

 

 

                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Гидравлический расчет.

 

Цель  гидравлического расчета: определяется сопротивление установки движению теплоносителей.

Используем данные из поверочного расчета.

1. Коэффициент общего гидравлического сопротивления единицы относительной длины канала для обоих теплоносителей:

 

                                       _(4.1)

2.  Гидравлическое сопротивление пластин

 

           _(4.2)

 

ζ  - коэффициент общего гидравлического сопротивления;

d – эквивалентный диаметр, d=0,0083 м;

 ρ – плотность рабочей среды; 
ω – скорость рабочей среды в межпластинном канале;

Х – число пакетов, Х=1;

L – Приведенная длина канала, L=1,01м.

 

3.  Скорости движения теплоносителей в штуцерах:

 

                            _(4.3)

- диаметр условного прохода углового отверстия (по заданию),

, - объемные расходы греющего и нагреваемого теплоносителей (из теплового расчета)

Т.к. скорости теплоносителей в штуцерах меньше предельных (0,45<2,5м/с; 0,54<2,5м/с), то местное сопротивление штуцеров учтено при расчете коэффициентов и

 

 

4.   Общее гидравлическое сопротивление теплообменника:

 

                                               _(4.4)

 

5.   Сопоставление заданных максимально допустимых гидравлических сопротивлений с расчетными.

При условии:                                                                                                                   _(4.5)

для греющего теплоносителя:

 

                                                           

                    

для нагреваемого теплоносителя:

 

 

_{Гидравлические  сопротивления находятся  в пределах располагаемых  значений, следовательно, расчет выполнен, верно.}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Механический расчет.

1. Гидравлические испытания

Давление  гидравлических испытаний пластинчатого  теплообменника определяется по формуле: [8]

 МПа,                                 (5.1)

где    Р – расчетное давление[приложение 3А, стр.25]

- номинальное допускаемое напряжение  при температуре гидравлических  испытаний,[9]

- номинальное допускаемое напряжение при расчетной температуре,[9]

Принятое  давление гидравлических испытаний  на заводе изготовителе МПа. Для расчета давление гидравлических испытаний принято МПа. [4]

2.   Расчет прокладок на распор гидростатическим давлением.

 

Максимальное внутреннее давление.

 МПа,[8]     (5.2.1)

где n = 2,5 – коэффициент запаса плотности;

f = 0,6 – коэффициент трения резина – металл;

 Н                                                    (5.2.2)

– реакция прокладки, равная по величине силе нормального давления на прокладку;