Тепловой конструктивный расчет пластинчатого теплообменника

ПЗ.docx

Конструктивный расчет10
Гидравлический расчет13
Механический расчет15
1Гидравлические испытания15
2Расчет прокладок на распор гидростатическим давлением15
3Расчет на прочность болтов крепления направляющих к стойке16
Список использованных источников21
Устройство пластинчатого теплообменника
Пластинчатые теплообменникиотносятся к классу рекуперативных теплообменников и представляют собой аппараты теплообменная поверхность которых образована набором тонких штампованных металлических пластин с гофрированной поверхностью. Пластины собранные в единый пакет образуют между собой каналы по которым протекают теплоносители обменивающиеся тепловой энергией. Каналы с теплоносителями чередуются между собой.
Рис. 1. Конструкция пластинчатого теплообменника
Рама теплообменника состоит из неподвижной плиты (1) штатива (4) верхней (2) и нижней (7) направляющих подвижной плиты (3) и комплекта стяжных болтов (8) (Рис. 1).
Верхняя и нижняя направляющие крепятся к неподвижной плите и к штативу. На направляющие навешивается пакет пластин (56) и подвижная плита (3). Неподвижная и подвижная плиты стягиваются болтами.
У одноходовых теплообменников все соединения расположены на неподвижной плите. Для крепления теплообменника к строительным конструкциям на неподвижной плите и штативе предусмотрены монтажные пятки.
Основные размеры и параметры наиболее распространенных в промышленностипластинчатых теплообменниковопределены ГОСТ 15518—83. Их изготовляют с поверхностью теплообмена от 2 до 600 м2 в зависимости от типоразмера пластин; эти теплообменники используют при давлении до 12 МПа и температуре рабочих сред от -30 до +180° С для реализации теплообмена между жидкостями и парами (газами) в качестве холодильников подогревателей и конденсаторов.
Основным элементомтеплообменникаявляются теплопередающие пластины изготовленные из коррозионно-стойких сталей толщиной 04— 10мм методом холодной штамповки. Вид гофрирования пластин и их количество зависят от эксплуатационных требований к пластинчатомутеплообменнику. Материал из которого изготавливаются пластины может быть различным: от недорогойнержавеющей сталидо различных экзотическихсплавов способных работать сагрессивными жидкостями.
На лицевой стороне каждой пластины в специальные канавки установлена резиновая контурная прокладка обеспечивающая герметичность каналов. Материалы для изготовления уплотнительных прокладок различаются в зависимости от условий применения пластинчатыхтеплообменников. Обычно используются различныеполимерына основе натуральных илисинтетических каучуков.
Два из четырех отверстий в пластине обеспечивают подвод и отвод греющей или нагреваемой среды к каналу. Два других отверстия дополнительно изолированы малыми контурами прокладки предотвращающими смешение греющей и нагреваемой сред. Так же для предупреждения смешивания сред в случае прорыва одного из малых контуров прокладки предусмотрены дренажные пазы.
Пространственное извилистое течение жидкости в каналах способствует турбулизации потоков а противоток между нагреваемой и греющей средой способствует увеличению температурного напора и как следствие интенсификации теплообмена при сравнительно малых гидравлических сопротивлениях. При этом резко уменьшается отложение накипи на поверхности пластин.
При большой разнице в расходе сред а также при малой разнице в конечных температурах сред существует возможность многократного теплообмена сред путем петлеобразного направления их потоков. В таких теплообменниках патрубки для подвода сред расположены не только на неподвижной плите но и на прижимной а вдоль пластин-перегородок среды движутся в одном направлении.
Классификация пластинчатых теплообменников
По степени доступности поверхности теплообмена для механической очистки и осмотра пластинчатые теплообменники делят на:
полуразборные (полусварные)
неразборные (паяные и сварные)
Наиболее широко применяют разборныепластинчатые теплообменники в которых пластины отделены одна от другой резиновыми уплотнениями. Монтаж и демонтаж этих аппаратов осуществляют достаточно быстро очистка теплообменных поверхностей требует незначительных затрат труда.
Полусварнойпластинчатый теплообменниксостоит из набора сварных модулей. Каждый модуль образован двумя теплообменными пластинами сваренными между собой лазерной сваркой. Модули стянуты в единый пакет торцевыми плитами с помощью болтов. Каналы между двумя сварными модулями уплотняются резиновыми прокладками аналогично разборным теплообменникам.
Полусварнойпластинчатый теплообменникиспользуется когда один из теплоносителей имеет высокое давление или температуру или является опасным веществом. Данное вещество протекает по каналам образованным сваренными между собой пластинами. Необходимо чтобы это вещество не оставляло загрязнений удаление которых потребовало бы разборки теплообменника. Отсутствие резиновых прокладок в сварных модулях как элементов наиболее подверженных разрушению при работе в агрессивных условиях гарантирует герметичность контура.
Паяныйпластинчатый теплообменниксостоит из набора металлических гофрированных пластин изготовленных из нержавеющей стали которые соединены между собой посредством пайки в вакууме с использованием медного или никелевого припоя.
Расход греющего теплоносителя
Начальная температура греющего теплоносителя
Конечная температура греющего теплоносителя
Начальная температура нагреваемого теплоносителя
Конечная температура нагреваемого теплоносителя
Рабочее давление в аппарате
Максимально допустимое гидравлическое сопротив-
ление по стороне хода греющего теплоносителя
ление по стороне хода нагреваемого теплоносителя
Теплофизические свойства греющего теплоносителя
при средней температуре
удельная теплоемкость
коэффициент теплопроводности
кинематическая вязкость
Теплофизические свойства нагреваемого теплоноси-
теля при средней температуре
Теплообменник компонуется из пластин типа 05р.
Геометрические размеры пластин и образуемых ими
площадь поверхности теплообмена одной
эквивалентный диаметр межпластинного ка-
площадь поперечного сечения одного канала
длина канала (приведенная)
диаметр условного прохода углового
Количества тепла передаваемого в единицу времени:
где - расход греющего теплоносителя кгс;
- теплоемкость греющего теплоносителя ;
- начальная температура греющего теплоносителя ;
- конечная температура греющего теплоносителя .
Расход нагреваемого теплоносителя:
Средний температурный напор:
Оптимальное соотношение числа ходов для греющей и нагреваемой воды [1]:
где - максимально допустимое гидравлическое сопротивление по стороне хода греющего теплоносителя Па;
- максимально допустимое гидравлическое сопротивление по стороне хода нагреваемого теплоносителя Па;
- расход греющего теплоносителя кгс;
- расход нагреваемого теплоносителя кгс;
- средняя температура греющего теплоносителя ;
- средняя температура нагреваемого теплоносителя .
Т.к. соотношение ходов следовательно принимается симметричная компоновка теплообменника.
При расчете пластинчатого водоподогревателя оптимальная скорость принимается исходя из получения таких же потерь давления в установке по нагреваемой воде как при применении кожухотрубного водоподогревателя - 100 -150 кПа что соответствует скорости воды в каналах = 04 мс. Поэтому выбрав тип пластины рассчитываемого водоподогревателя горячего водоснабжения по оптимальной скорости находим требуемое количество каналов по нагреваемой воде [1]:
где — живое сечение одного межпластинчатого канала [приложение 11];
- плотность нагреваемого теплоносителя .
Компоновка водоподогревателя симметричная т. е. . Общее живое сечение каналов в пакете по ходу греющей и нагреваемой воды
Фактические скорости греющей и нагреваемой воды мс
Коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке:
где А - коэффициент зависящий от типа пластины [приложение 11];
- скорость греющего теплоносителя мс;
Коэффициент теплоотдачи от стенки пластины к нагреваемой воде:
где - средняя температура нагреваемого теплоносителя
- скорость нагреваемого теплоносителя мс.
Коэффициент теплопередачи отнесенный к поверхности теплопередачи для плоской стенки:
где – коэффициент учитывающий уменьшение коэффициента теплопередачи из-за термического сопротивления накипи и загрязнений на пластине в зависимости от качества воды принимается равным 07 - 085принимаем 08 [1] ;
и – коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к пластине и от пластины к холодному теплоносителю соответственно Втм²°С;
- толщина пластины =1 мм [ приложение 11];
λ - теплопроводность нержавеющей стали марки 10Х17Н13М2Т λ=17.5 ВтмК [2].
Площадь поверхности теплообмена аппарата:
где Q - количества тепла передаваемого в единицу времени Вт;
- средний температурный напор.
Количество ходов в теплообменнике
где - поверхность нагрева одной пластины [приложение 1 1]
Принимаем число ходов X=2.
Потери давления со стороны греющей и нагреваемой воды составят:
где — коэффициент учитывающий накипеобразование который для греющей сетевой воды - равен единице а для нагреваемой воды должен
приниматься по опытным данным при отсутствии таких данных можно принимать = 15— 20 [1];
Б —коэффициент зависящий от типа пластины [приложение 1 1] ;
и — скорость греющего и нагреваемого теплоносителя соответственно.
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.
Число пластин в одном пакете:
для греющего теплоносителя:
для нагреваемого теплоносителя:
где - число каналов в одном пакете.
Площадь поверхности теплообмена одного пакета:
для нагреваемого теплоносителя:
Число пакетов (ходов) в аппарате:
по стороне хода греющего теплоносителя:
по стороне хода нагреваемого теплоносителя:
Расчетное число пластин в аппарате:
принимаем число пластин
Схема компоновки пластин в аппарате при и
Над чертой - число каналов в каждом ходе для греющей воды под чертой - то же для нагреваемой воды. Дополнительный канал со стороны хода нагреваемой воды предназначен для охлаждения плиты и уменьшения теплопотерь.
Фактическая площадь поперечного сечения пакетов:
Цель поверочного расчета:
) Определение конечной (или начальной) температуры нагреваемой или охлаждаемой рабочей среды;
) Определение тепловой нагрузки аппарата Q если заданы температурные условия его работы.
Фактическая скорость движения греющего теплоносителя и нагреваемого теплоносителя в каналах теплообменника:
К - коэффициент теплопередачи ;
- коэффициент гидравлического сопротивления штуцера [приложение 1 1];
- средний температурный напор
Проверим величину выбранной площади поверхности теплообмена при фактических скоростях рабочих сред:
а) критерий Рейнольдса:
б) критерий Нуссельта:
в) коэффициент теплоотдачи:
г) коэффициент теплопередачи:
- толщина пластины =1мм [ приложение 1 1];
λ - теплопроводность стали марки 10Х17Н13М2Т λ=17.5 ВтмК [2].
уточняем температуру
Так как температура на выходе не ниже чем требуется по условию
°С следовательно расчет и выбор теплообменника считается верным.
Гидравлический расчет
Цель гидравлического расчета: определяется сопротивление установки движению теплоносителей.
Из предыдущих разделов расчета имеем:
Фактические скорости движения греющего теплоносителя и нагреваемого теплоносителя в каналах теплообменника:
критерий Рейнольдса:
Коэффициенты общего гидравлического сопротивления единицы относительной длины канала:
Гидравлическое сопротивление пакетов пластин:
где - коэффициент общего гидравлического сопротивления;
d – эквивалентный диаметр d=0009 м [приложение 1 1];
ρ – плотность рабочей среды;
– скорость рабочей среды в межпластинном канале;
Lп – Приведенная длина канала Lп=08 м [приложение 1 1].
Проверим скорости движения теплоносителей в штуцерах:
где - диаметр условного прохода углового отверстия
- объемные расходы греющего и нагреваемого теплоносителей (из теплового расчета).
Т.к. скорости теплоносителей в штуцерах меньше предельных (13225мс; 10425мс) то местное сопротивление штуцеров учтено при расчете коэффициентов и .
Общее гидравлическое сопротивление теплообменника:
Сопоставим заданные максимальное допустимые гидравлические сопротивления с расчетными:
для греющего теплоносителя:
Гидравлические сопротивления находятся в пределах располагаемых значений следовательно расчет выполнен верно.
1Гидравлические испытания
Давление гидравлических испытаний пластинчатого теплообменника определяется по формуле [5]:
где Р– расчетное давление.
- номинальное допускаемое напряжение при температуре гидравлических испытаний [5];
- номинальное допускаемое напряжение при расчетной температуре [5].
Принятое давление гидравлических испытаний на заводе изготовителе
. Для расчета давление гидравлических испытаний принято МПа.
2Расчет прокладок на распор гидростатическим давлением
Максимальное внутреннее давление.
где n = 25 – коэффициент запаса плотности;
f= 06 – коэффициент трения резина – металл;
R– реакция прокладки равная по величине силе нормального давления на прокладку;
A = 1484 мм – длина прокладки (по центру прокладки);
B= 625 мм – ширина прокладки (по центру прокладки);
b= 76 – ширина уплотнительного пояска прокладки;
Cжимающее напряжение в прокладке
МПа – модуль упругости резины; 5.5
- относительное сжатие прокладки; 5.6
где мм– величина сжатия прокладки[7]
мм – высота прокладки до обжатия;
мм – длина прокладки (по внутренней стороне прокладки);
мм – ширина прокладки (по внутренней стороне прокладки).
Условие сохранения плотности соединения МПаМПа
где - максимальное давление в плотности теплообменника МПа выполняется.
3Расчет на прочность болтов крепления направляющих к стойке
Болты крепления верхней направляющей к стойке задней и плите неподвижной испытывают напряжения растяжения от усилия затяга подвижной части теплообменника.
Напряжение растяжения в болтах определяется по формуле:
где F = 48080 Н – усилие растяжения в болтах от усилия затяга [9]
А = 338 мм2 – площадь поперечного сечения стержня болта [9]
Условие прочностиМПаМПа выполнено.
Расчет производится таким образом чтобы температура поверхности была не более . Для изоляции принимаем полуцилиндры из пенопласта марки ФРП -1[приложение 3]
Коэффициент теплопроводности:
где- расчетная теплопроводность изоляции .
- температурный коэффициент
Коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в окружающий воздух:
На основании проведенных расчетов выбираем пластинчатый полуразборный теплообменник исполнение на двухопорной раме со сдвоенными пластинами типа 05р толщиной 1 мм изготовленной из нержавеющей стали 10Х17Н13М2Т. Площадь поверхности теплообмена аппарата - 63 м². Расчетное давление - 11 МПа.
Материал прокладок - резина 51-3042 (ТУ 38-1051023-89) этиленпропилендиеновый каучук [приложение 2 1].
Изоляция - полуцилиндры из пенопласта марки ФРП-1[приложение 3].
Техническая характеристика пластин
Габариты (длина х ширина х толщина) мм
Поверхность теплообмена кв.м
Эквивалентный диаметр канала м
Площадь поперечного сечения канала кв.м
Смачиваемый периметр в поперечном сечении канала м
Зазор для прохода рабочей среды в канале мм
Приведенная длина канала м
Площадь поперечного сечения коллектора (угловое отв. на пластине) кв.м
Наибольший диаметр условного прохода присоединяемого штуцера мм
Коэффициент общего гидравлического сопротивления
Коэффициент гидравлического сопротивления штуцера
Условное обозначение прокладок
Марка материала и технические условия
Температура рабочей среды °С
Резина 359 (ТУ 38-1051023-89)
СКМС-30 и АРКМ-15 (бутадиенметилстироль-
Резина 4326-Г (ТУ- 38-1051023-89)
СКН-18 (бутадиеннитрильный каучук)
СКЭПТ (этиленпропилендиено-
СКЭП (этиленпропилендиено-
Резина ИРП-1225 (ТУ 38-1051023-89)
СКФ-32 и ИСКФ-26 (фторированный каучук)
Характеристики теплоизоляционных изделий
Услов-ныепрохо-ды труб Dу мм
Плот-ность в конст-рукции кгм3
Тепло-провод-ность из
Макси-мальная темпера-тура примене-ния С
Цилиндры и полуцилиндры из мин-ной ваты на синтетич. связующем
Плиты мягкие из минеральной ваты на синтетическом связующем
То же плиты полужесткие
Маты минераловатные прошивные в обкладке из металлической сетки или стеклоткани
Маты минераловатные прошивные марки ВФ–75 на металлической сетке
Маты из стеклянного штапельного волокна на синтетич. связующем марок МТ–35 и МТ–50
То же плиты полужесткие марок ППТ–50 и ППТ–75
Полуцилиндры из пенопласта марки ФРП–1
Сегменты из пенопласта марки ФРП–1
Полуцилиндры совелитовые
Сегменты совелитовые
Полицилиндры вулканитовые
Список использованных источников
Свод правил по проектированию и строительству СП 41-101-95 "Проектирование тепловых пунктов". Москва Минстрой России 1997.
Пластинчатые теплообменные аппараты. А.М. Тарадай О.И.Гуров Л.М. Коваленко. Х: Прапор 1995. - 60с.
Каталог. Пластинчатые теплообменные аппараты. Москва 1983 1990год. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ.
Расчет фланцевых соединений трубопроводов и сосудов. А.А. Волошин Григорьев Г.Т. Л: Машиностроение 1979. - 125с.
ПБ 03-576-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов работающих под давлением.
Строительные нормы и правила Российской Федерации. СНиП 41-03-2003. «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».

Спецификация.doc

О.ЭА.140100.62.106.КП.15.ПЗ
Верхняя направляющая
Теплопередабщая пластина
Уплотнительная прокладка
О.ЭА.140100.62.106.КП.15
Пластинчатый теплообменник

Чертеж.dwg

Технические характиристики пластинчатого теплообмееника
Прведенная длина канала - 1
Тепломассообменное оборудование предприятий
Технические характиристики пластинчатого теплообменника
Площадь поверхности теплообмена одной пластины - 0
Эквивалентный диаметр - 0
Площадь поперечного сечения канала - 0
Приведенная длина канала - 1
Средний зазор в канале для прохода среды - 0
Габаритные размеры пластины :
Масса одной пластины - 5
Диаметр присоединяемых штуцеров - 150 мм
Пластинчатый теплообменник