2.2 Описание принципа работы спирального теплообменника
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.
2.3 Тепловой расчет аппарата
теплообменник виноградный сок аппарат
Исходные данные:
производительность аппарата G=600 л/ч=637,2 кг/ч;
температура: продукта на входе в аппарат t1=150С; на выходе из аппарата t2=700С; греющего пара tп=1200С;
скорость движения продукта: wп=0,5 м/с;
В качестве продукта используется виноградный сок:
с=1062,86 кг/м3;
µ=0,000785 Па∙с;
с=3395,44 Дж/кг∙К;
л=557,2∙10-3 Вт/м∙К;
Содержание сухих веществ в соке составляет 16%.
В качестве теплоносителя используется водяной пар.
1. Тепловая нагрузка аппарата:
Q=G1c1(t2-t1)=637,2×3,395 (70–15)=118981,17кДж/ч;
2. Средняя разность температур:
а) большая разность температур:
Дtб= tп – t1=120–15=1050С;
б) меньшая разность
Дtм =tп – t2=120–70=500С.
Так как Дtб /Дtм=2,1>2, то Дtср=(Дtб – Дtм)/ln (Дtб/ Дtм)
Дtср=(105 – 50)/ln (105/ 50)=74,13 0С.
3. Эквивалентный диаметр спирального теплообменника определяем по формуле dэ»4bd/2b=2d (сторона d не участвует в теплообмене). Приняв ширину канала равную 0,01 м, получаем значение эквивалентного диаметра: dэ=2×0,01=0,02 м.
4. Задавшись скоростью движения раствора w1=0,5 м/с, находим площадь сечения канала теплообменника:
f=G1/r13600w1=637/1062×3600×0,5=0,00033 м2. Откуда эффективная высота теплообменника (эффективная ширина ленты) bе=0,00033/0,01=0,033 м. Принимаем ширину ленты 0,025 м, тогда площадь поперечного сечения канала f=0,00035 м2.
Действительная скорость движения сока по каналу теплообменника:
w1=G1/r3600f=637,2/1062×3600×0,00035=0,47 м/с.
5. Определяем динамический коэффициент вязкости (пленки конденсата) и численные значения ее теплопроводности, коэффициент теплопроводности и плотности как функции от tпл=97,76°С:
µпл= 291,13 ∙10-6 Па∙с;
спл=4220,41 Дж/кг∙К;
лпл=68,23 ∙10-2 Вт/м∙К;
спл=959,67 кг/м3.
6. Расход греющего пара:
G2=Q/cпл(tп – t1)=118981,17/4220,41 (120–15)=268,49 кг/ч.
7. Скорость греющего пара в канале теплообменника:
w2=268,49/959,67×3600×0,00035=0,22 м/с.
8. Вычисляем значение критерия Рейнольдса для продукта:
Re1=w1dэr/m=0,47×0,02×1062/0,000785=12717
9. Вычисляем значение критерия Рейнольдса для греющего пара:
Re2=w2dэr/m=0,22×0,02×959,67/0,00029113=14504
10. Принимаем диаметр спирали теплообменника Dc=1 м, находим критическое значение Re:
Reкр=20000 (dэ/Dc)0,32=20000 (0,02/1)0,32=5720
11. Вычисляем число Прандтля для продукта:
Pr1=cm/l=(3395,44×0,000785)/0,557=4,78
12. Вычисляем число Прандтля для пристенного слоя воды:
Pr2=cплmпл/lпл=(4220,41×0,00029113)/0,6823=1,8
13. Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенкам спирали:
Nu2=0,023Re20,8Pr20,33(1+3,54dэ/Dc)=0,023×145040,8×1,80,33(1+3,54×0,02/1)= 63,8
Откуда:
a2=Nu2lпл/dэ=63,8×0,6823/0,02=2176,5 Вт/(м2×с).
14. Коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменника к продукту:
Nu1=0,023Re10,8Pr10,33(1+3,54dэ/Dc)=0,023×127170,8×4,780,33(1+3,54×0,02/1)= 79
Откуда:
a1=Nu1l/dэ=79×0,557/0,02=2200,15 Вт/(м2×с).
15. Задавшись толщиной стенки теплообменника dст=0,004 м и материалом стенки из стали Х18Н10Т с коэффициентом теплопроводности lст=16 Вт/(м×°С), находим значение:
k=1/((1/a1)+(1/a2)+(d/aст))=1/(0,00045943+0,000454514+0,00025)=859,14 Вт/(м×°С).
16. Находим поверхность теплообмена спирального теплообменника:
F=Q/kДt=(118981,17×1000)/(859,14×74,13×3600)=0,518 м2.
17. Длина листов спирали определяется из соотношения:
L=F/2b=0,5187,4×0,035=7,4 м2.
18. Число витков спирали, необходимое для получения эффективной длины, определяем по уравнению:
N=L/(2pt)+1/16 (d/t-1)2-1/4 (d/t-1)=7,55
где t=d+dст=0,01+0,004=0,014 м;
d=2r+t=2×0,05+0,014=0,114 м. (r принимаем равной 0,05 м).
19. Наружный диаметр спирали теплообменника с учетом толщины листа определяется по формуле:
Dc=d+2Nt+dст=0,314+2×15,1×0,014+0,004=0,74 м.
где N=2n=2×7,55=15,1 – число витков обеих спиралей.
20. Зная наружный диаметр спирали, находим по формуле критическое значение Re:
Reкр=20000 (0,02/, 74)0,32=6298,04
21. Определяем потерю напора теплоносителями при прохождении через каналы спирального теплообменника:
- Для продукта потерю напора определяем по формуле:
ДP=0,0113/((Lrw12)/(Re0,25d))=184,8 кг/м2.
- Для греющего пара потерю напора определяем по формуле:
ДP=0,0113/((Lrw22)/(Re0,25d))=35,3 кг/м2.
2.4 Расчет и подбор нагнетательного оборудования
1) По производительности выбираем центробежный насос со следующими параметрами:
Марка Х2/25
Производительность G=4,2∙10-4м3/с
Н столба жидкости 25 м
Частота вращения 50 1/с
Электродвигатель
Тип АОЛ-12–2
Мощность 1,1 кВт
2) Выбор трубопровода.
Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения продукта, равную 0,5 м/с.
d=(4Q/wр)0,5=(4∙0,00016/3,14∙2)0,5=0,02 м.
3) Определение потерь на трение и местные сопротивления.
Находим критерий Рейнольдса:
Re=wdс/µ=(0,5∙0,02∙1062,86)/0,000785=13539,6 следовательно режим турбулентный.
Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем Д=2∙10-4 м.
е=Д/d=2∙10-4 /0,02=0,01
1/е=100
10∙1/е=1000
560∙1/е=560000
10∙1/е <Re<560∙1/е, следовательно, в трубопроводе имеет место смешанное трение.
л=0,11 (е+68/ Re)0,25=0,11 (0,0125+68/13539,6)0,25=0,029
Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений для всасывающей линии:
овс=о1+ о2=0,018+4,2=4,218, где
о1-сопротивление по длине трубы;
о1=л∙w2/2g∙d=0,029×0,25/0,02∙2∙9,81=0,018
о2-вентиль;
онагн= 5∙о1+ о2+3∙о3=5∙0,018+0,42+3∙1,1=7,59 где
о3-отводы под углом 90о.
Потерянный напор во всасывающей линии:
hвс= (л/d+ овс) ∙ w2/2g =(0,029/0,02+4,218) 0,25/2∙9,81=0,072 м.
Потерянный напор в нагнетательной линии:
hнагн= (л/d+ онагн) ∙ w2/2g =(0,029/0,02+7,59) 0,25/2∙9,81=0,108 м.
Общие потери:
hп= hвс+ hнагн=0,108+0,072=0,18 м.
Запас напора на кавитацию:
h3=0,3 (Gn2)2/3=0,3 (4,2∙10-4∙502)2/3=0,31 м.
По таблицам давлений насыщенного водяного пара находим, что при температуре 45,870С рt=9,58∙ 103 Па, атмосферное давление равно р1=105 Па.
Нвс≤р1/gс – (рt/gс+w2/2g+h3+hвс)= =105/1062,86∙9,81 (9580/1042,67+0,5/2∙9,81+1,44+0,31)=19,5 м.
Список литературы
1. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. – М.: Химия, 1983. – 272 с.
2. Основные процессы и аппараты пищевых производств / Под ред. Ю.И. Липатова. – М.: Химия, 1987. – 272 с.
3. Основы проектирования процессов и аппаратов пищевых производств/ Под ред. И.В. Стахеева. – М.: «Вышэйшая школа», 1972
4. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии./ Под ред. П.Г. Романкова. – Л.: Химия, 1987. – 576 с.
5. Основы проектирования процессов и аппаратов пищевых производств/ Под ред. И.В. Стабникова. – М.: «Вышэйшая школа», 1972