1 Конструкция теплообменных аппаратов

Величина	Наименование
Единица измерения в СИ
      а=/(с) с g r t 	Коэффициент теплоотдачи Коэффициент объемного расширения Коэффициент теплопроводности Динамический коэффициент вязкости Кинематический коэффициент вязкости Плотность Коэффициент температуропроводности Удельная теплоемкость ( при постоянном давлении) Ускорение свободного падения Определяющий геометрический размер (для каждой формулы указывается, какой размер является определяющим) Теплота парообразования (испарения) удельная Разность температур стенки и жидкости (или наоборот) Скорость	Вт/м^2.град град^-1 Вт/(м^.град) Па^.с м^2/с кг/м^3 м^2/с Дж/(кг^.град) м/с^2 м Дж/кг Град м/с

Рассчитать спиральный теплообменник для охлаждения оливкового масла

𝐺 = 32,5_{ } , 𝑡₁ = 90℃; 𝑡₂ = 40℃; 𝑡₃ = 18℃; 𝑡₂ = 35℃;
Тепловой расчет Средняя разность температур:

∆𝑡ср =_{ }
Температурная схема:
90→ 40
35 ⃪ 13
∆𝑡_б = 55 ∆𝑡_м = 22
Тогда:
∆𝑡_ср = _{ } =53,5℃
Средняя температура воды:
𝑡₁ = _{ } = 26,5℃.
Свойства воды при 26,5⁰C[3]:
𝜌_₁ =996,05 _{ } ;
_{ 2=} 0,8641 мПа·c;
𝜆_{2 =} 0,61135 _{ };
c₂ =4183,5 _{ };
Средняя температура оливкового масла:
𝑡₂ = t₁+ ∆t_ср = 26,5+ 3 = 62,5 ℃
Свойства оливкового масла при 𝑡₂₌ 62,5 ℃
𝜌₂ =829 кг⁄м³ ; _{ 2=} 0,081 мПа·c; 𝜆_{2 =} 0,163 _{ } ; c₂ =2206 _{ };
𝑃𝑟₂ = 1096,2;
Массовый расход: 𝐺₂ = 0,00903 ·829= 7,4 кг/с

Объемный расход оливкового масла: 𝑉₂ = 32,4⁄3600 = 0,00614 м³/с

Тепловая нагрузка аппарата:
𝑄 =G₂c₂(t_2к – t_2н)= 7,4·2206·(90-40)=816220 Вт

Расход охлаждающей воды (с учетом 5% потерь теплоты):

_{   } = 7,5874 кг/с

Объемный расход:

𝑉₁ = _{ } = _{ } = 0,007614 кг/с
Определяем ориентировочно величину площади поверхности теплопередачи:
_{ } = 15,25 м²
Выбираем стандартный аппарат по табл.II.15 [3] следующими параметрами:
𝐹 = 16 м²; 𝑏 = 3,5 мм; 𝑙_л = 500 мм; 𝑙_к = 16 м; 𝑆= · 10^-4 м².

Уточненный расчет
Определяем 𝑤₂; 𝑅𝑒₂; 𝑁𝑢₂ ; 𝛼₂ для оливкового масла
𝑤_{2    } = 5,16 м/с


Где 𝑑_{э    } = 0,0069 м.
Nu рассчитываем по формуле :
𝑁𝑢₂ = 0,024 · Re^0,8 · Pr^0,43 = 0,024·364,4^0,8·1096,2^0,43 =52,3

𝛼_{2     =} Вт/^м2··^К

Коэффициент теплоотдачи для воды

Определяем 𝑤₁; 𝑅𝑒₁; 𝑁𝑢₁ ; 𝛼₁
𝑤₁ _{   }= 5,16 м/с
𝑅𝑒₁ _{ }
𝑁𝑢₁ = 0,024 ∙ 𝑅𝑒^0,8 ∙ 𝑃𝑟^0,43 = 0,024 ∙ 364,4^0,8 ∙ 1096.2^0,43 = 47,2
𝛼₁_{   } = 4182 Вт/м₂ ∙ К
Термическое сопротивление загрязненной стенки:
∑ 𝑟_{ст  } 1354,8 Вт/м² ∙ К

Коэффициент теплопередачи:
𝐾 _{   } =110,2Вт/м² ∙ К
Расчетная площадь теплообмена:
𝐹_{р  } = 13,4 м²
Выбранный стандартный теплообменник обеспечивает требуемую площадь теплообмена.
Конструктивный расчет:

1. 
   Шаги спиралей (мм) 𝑡 = 𝑏 + 𝛿 где b=8÷ 12 мм (ГОСТ 12067-72)
   

𝑏₁ = 8мм, 𝑏₂ = 12мм, 𝛿 = 3мм при 𝛿 = 0,16 МПа
𝑡₁ = 8 + 2 = 10мм
𝑡₂ = 12 + 2 = 14мм

2. 
   Каждый виток спирали строится по радиусам;
   

𝑟₁=d/2 , 𝑟₂=d/2+t₁
Где d - диаметр первого витка внутренней спирали, радиус 𝑟₁=150 мм (ГОСТ 12067-72)
𝑑 = 2 ∙ 𝑟₁ = 2 ∙ 150 = 300мм
𝑟² = _{ } + 10 = 160мм

3. 
   Ширина керна
   

𝑏_к = 2 ∙ 𝑟₁ − 𝑡₁ = 2 ∙ 150 − 10 = 290мм
где 𝑡₁ = 10мм – шаг спирали “1”

4. 
   Ось аппарата делит керн на 2 неравные части.
   

О_𝐼𝐴^′ = 𝑟_𝐼 − 𝑡₂/2; 𝑂₂ ∙ 𝐴^′ = 𝑏_к − О₁𝐴^′
Где 𝑡₂ – шаг спирали “2”
𝑂₁𝐴^′ = 150 − _{ }= 143мм
О₂𝐴^′ = 290 − 143 = 147мм

5. 
   Центры О₁ и О₂, из которых производят построение спиралей, отстоят друг от друга на расстоянии 𝑡₂.
   

6. 
   Длина листов спиралей
   

𝑙 =_{ } = _{ } ∙ 0,4 = 20м
7. Количество полувитков спирали определяется из соотношения
l =πr_cр ·n;
𝑟_ср = _{ }

Где 𝑟̅₁ = 𝑟₁ + 0,5(𝑛 − 1) ∙ 𝑡 – средний радиус витка спирали «1».

𝑟̅₂ = 𝑟₂ + 0,5(𝑛 + 1) ∙ 𝑡 – средний радиус витка спирали «2».
𝑟̅₁ = 150 + 0,5(16 − 1) ∙ 10 = 255 мм
𝑟̅₂ = 161 + 0,5(16 + 1) ∙ 14 = 322мм ·
r_{ср  }= 288 мм
n _{ } = 22

7. 
   Наружный диаметр спирального теплообменника
   

𝐷 = 𝑑 + 2𝑛𝑡 + 𝛿 = 300 + 2 ∙ 22 ∙ 14 + 2 = 918 мм.
Гидравлический расчет:
1. Потеря напора на трение и местные сопротивления:
Hn = (𝜆_{ }+ ∑ 𝜉 )_{ } =(0,163_{ } = 1,5

Определение диаметра трубы
𝑑= _{ } =_{ }=0,075м

Выбираем трубу стандартного диаметра d=65 мм. Тогда действительная скорость оливкового масла в трубе

𝑤 = _{ }=_{ }=1,8513 м/с

Режим движения оливкового масла в трубопроводе

𝑅𝑒 =_{ } = 110 964,7
Гидравлический коэффициент трения
𝜆 = _{ }= _{ } = 0,017
Коэффициенты местных сопротивлений:

1. 
   Вход в трубу: 𝜉 = 0,5
   
2. 
   Задвижка: 𝜉 = 0,5
   
3. 
   Кран: 𝜉 = 2
   
4. 
   Нормальный вентиль: 𝜉 = 4,3
   
5. 
   Выход из трубы: 𝜉 = 1,0
   
6. 
   90° отводы: 𝜉 = 0,15 ∙ 4 = 0,6
   

∑ 𝜉 = 8,9
h_п = _{ }2,0 м
Потеря напора в аппарате:

h_п =𝜆_{ } ·_{ }=0,0017_{ }
Где 𝑤₂ = 1,918 м/𝑐, 𝑅𝑒 = 364,4
𝜆 =_{ }

Напор, создаваемый насосом:

Н = 2,9 + 5 + 2,0 = 10 м

Q = 0,25·10^-3 м^3/с
По таблице I.2 [3] выбираем центробежный насос марки Х45/31, Q=0,25·10^-3 м^3/с; Н = 13м; 𝑛 = 48,3 𝑐⁻¹; 𝜂 = 0,7. Электродвигатель типа АО2-51-2; N = 10 кВт; η=0,88.


Механический расчет:
1. Расчет толщины обечайки
𝛿 =_{ }+ С_к +_{ }
Где:
D= 918 мм – диаметр аппарата (из конструктивного расчета)
σ – допустимое напряжение на растяжение для материала обечайки [3, стр 76];
𝜑 =0,9 – коэффициент, учитывающий ослабления обечайки из-за сварного шва;
С_к=П∙ 𝜏 – прибавка толщины с учетом коррозии;
С_к=0,001м=1мм, где П=0,1 мм/год - коррозийная проницаемость;
𝜏 =10 лет – амортизационный срок службы аппарата;
С_окр- округляющий коэффициент.

2. Расчет толщины днища. Днище коническое неотбортованное

стальное с углом конуса - 60°
Определяем толщину днища по следующей формуле:
δ= _{ }+0,001+_{ }=0,003 мм
3.Расчет штуцеров
Для оливкового масла:
d= 65 мм (из гидравлического расчета)
Для воды:
𝑑= _{ } =_{ }=0,075м

По ОСТ 26-1412-76 выбираем стандартные штуцеры:

Для воды, мм:
𝐷_𝑦 = 50; 𝑑_𝑡 = 57; 𝑆_т = 3; Н_т = 155;
Для хлорбензола, мм:
𝐷_𝑦 = 65;

4. Выбор фланцевых соединений:

По ГОСТ 1255-67 выбираем фланцевые соединения
Для воды, мм:
𝐷_𝑦 = 50; 𝐷_ф = 140; 𝐷_б = 110; 𝐷₁ = 90; ℎ = 10; d = 14; z = 4.
Для хлорбензола, мм:
𝐷_𝑦 = 65; 𝐷_ф = 160; 𝐷_б = 130; 𝐷₁ = 110; ℎ = 11; d = 14; z = 4.


Литература

1. 
   Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, - М.: Химия, 1973. - 780 с.
   
2. 
   Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1991. – 496 с.
   
3. 
   Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. – 10-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
   
4. 
   Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: учебник для техникумов. – Л.: Химия, 1991. – 352 с.
   
5. 
   Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: справочник. – Изд. 2-е, перераб. и доп. Т.2. – Калуга: Изд. Н.Бочкаревой, 2002. – 1028 с.
   
6. 
   Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л., Химия, 1974. – 344 с.
   
7. 
   6 Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.- Л.: Машиностроение, 1970. – 752 с.
   
8. 
   7 Михалев М.Ф. и др. Расчет и конструирование МАХП.- Л.: Машиностроение, 1984. – 301 с.
   
9. 
   8 Поникаров И.И., Поникаров С.И., Рачковский С.В. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): учебное пособие. – М.: Альфа-М, 2008. – 720 с.