Тепловой расчет

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
𝑤₂ = 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

8. 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.

Л и т е р а т у р а :

1. 
   Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, - М.: Химия, 1973. - 780 с.
   
2. 
   Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1987. - 576 с.
   
3. 
   Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.:Химия, 1983.
   

- 272 с.

4. 
   Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов – Л. «Машиностроение», 1981.
   

1