Расчет пластинчатого теплообменника

При различном  числе каналов в расположенных  последовательно пакетах скорость движения рабочей среды в каждом пакете будет изменяться.

При одинаковом числе каналов в пакетах скорость рабочей среды практически не изменяется.

Вторая рабочая среда, движение которой на схемах показано штриховой линией, проходит по своему коллекторному каналу и движется затем в межпластинных каналах, смежных с каналами для первой рабочей среды.

В компоновках  каналов для рабочих сред возможны различные варианты:

1. Схему компоновки, при которой число каналов  в пакетах для первой и второй рабочих сред одинаково, называют несимметричной.

При симметричной схеме компоновки одна рабочая среда  проходит последовательно такое  же число пакетов, как и другая

2. Схему компоновки, при которой число каналов в пакетах для первой и второй рабочих сред неодинаково, называют несимметричной.

Для поддержания приблизительного равенства скоростей рабочих  сред в каналах при несимметричной схеме компоновки необходимо, чтобы отношение расходов было обратно пропорционально отношению чисел каналов.

3. Число пакетов  на стороне второй рабочей  среды неодинаково с числом  пакетов на стороне первой  рабочей среды (рисунок 2).

При компоновке пластин в пластинчатом теплообменнике особое значение имеет компоновка пакетов со стороны основной (обрабатываемой) рабочей среды, так как обычно расход этой среды через аппарат (производительность аппарата) строго задан и от числа параллельных каналов в пакете зависит скорость продукта, а следовательно, и другие параметры процесса работы теплообменника.

Относительное направление движения обеих рабочих  сред через пластинчатый теплообменник  может быть различным в зависимости  от сочетания общих и частных направлений движения рабочих сред через аппарат в целом и через межпластинные каналы. Различают следующие общие случаи:

а) частный противоток при общем противотоке, т. е. противоток и в каналах пакетов и в  целом аппарате (чистый противоток) (рисунок 3а);

б) смешанный  ток (рисунок 3б);

в) смешанный  частный ток при общем противотоке(рисунок 3в);

г) частный прямоток при общем противотоке (рисунок 3г);

д) смешанный  частный ток при общем прямотоке (рисунок 3д);

е) частный прямоток при общем прямотоке (чистый прямоток) (рисунок 3е),

Рисунок 3 – Схемы относительного движения рабочих сред в пластинчатом теплообменнике.

При чистом противотоке  в условиях многопакетной компоновки пластины, находящиеся на границах пакетов внутри аппарата, работают на прямотоке, а при чистом прямотоке  соответственно на противотоке, однако практическое влияние этих пластин на процесс теплопередачи в промышленных аппаратах при многопакетной компоновке пренебрежимо мало.

В практике проектирования пластинчатых теплообменников схему  компоновки пластин удобно условно  обозначать дробью. В числителе дроби — сумма цифр, которые показывают количество соединенных пакетов по тракту горячей (охлаждаемой) рабочей среды, а значение каждой из цифр — количество параллельных межпластинных каналов в соответствующем по расположению на схеме (или по ходу движения рабочей среды) пакете. В знаменателе дроби — сумма цифр, обозначающих число пакетов и каналов в них по тракту движения холодной (нагреваемой) рабочей среды.

При описании схем многосекционных пластинчатых аппаратов, предназначенных для выполнения комплекса операций по тепловой обработке жидких пищевых продуктов (например, для пастеризации и охлаждения молока), удобно в числителе формулы компоновки помещать сумму цифр, обозначающих число пакетов по тракту движения продукта, независимо от того, является он нагреваемой или охлаждаемой средой в данной секции.

Рассмотрев принцип устройства пластинчатых теплообменных аппаратов, и выполнив анализ их структуры, можно отметить следующие положительные особенности этого вида технологического оборудования:

1. Параллельное расположение  тонких пластин с малыми зазорами  между ними позволяет увеличить  теплообменную поверхность на  единицу рабочего объема теплообменника (м²/м³) Это приводит к значительному уменьшению габаритных размеров пластинчатого теплообменника в сравнении с размерами всех других типов промышленных теплообменных аппаратов (кроме пластинчато-ребристых). При работе на средах жидкость – жидкость в промышленных условиях пластинчатые теплообменники имеют наименьшие габаритные размеры при равной тепловой производительности, в сравнении с любыми другими типами промышленных жидкостных теплообменников.

2. Для разборки и чистки  поверхностей теплообмена разборного  пластинчатого теплообменника не требуются дополнительные производственные площади. При разборке теплообменника (рис.1) отвинчивают зажимной винт 10, отодвигают на верхней штанге 7 подвижную нажимную плиту 8, перемещают пластины по штангам в пределах образовавшегося свободного пространства, осматривают, чистят и моют, имея возможность, если требуется, отводить нижний конец пластины в сторону.

Принцип устройства пластинчатого  теплообменника дает возможность осуществлять различные схемы компоновки пластин для каждой рабочей среды, изменять (увеличивать или уменьшать) поверхности теплообмена не только проектируемого, ни и уже используемого аппарата, вносить различные корректировки в схему движения потоков, а также сосредотачивать на одной раме несколько теплообменных секций различного назначения для выполнения в одном аппарате всего комплекса операций технологической обработки нескольких рабочих сред при различных температурных режимах.

Возможность перестраивать  теплообменный аппарат особенно важна на современных предприятиях, в которых приспособляемость  к быстро изменяющимся условиям производства является очень важным достоинством.

Компоновочные возможности  пластинчатых аппаратов позволяют  конструктору создавать любые сечения  параллельных и последовательных ходов (а, следовательно, оптимальные скорости рабочих сред при заданных расходах), подбирать в каждом отдельном случае оптимальные условия для теплообмена с учетом полного использования располагаемого напора.

3. Пластинчатые теплообменные  аппараты различной производительности и назначения можно создать из одних и тех же узлов и деталей и, в частности, из одинаковых пластин. Технология изготовления теплообменпых аппаратов широкого размерного ряда поверхностей и их основных элементов (рабочих пластин) основана на холодной штамповке тонких металлических листов, что создает надежные предпосылки для массового экономичного изготовления их при наименьшей затрате труда и материалов.

Коэффициент унификации деталей  и узлов размерного ряда теплообменников пластинчатого типа наиболее высок по сравнению со всеми другими конструкциями теплообменных аппаратов (0,87 – 0,92).

4. При изготовлении поверхностей  теплообмена методом холодной  штамповки на поверхности пластин  легко создавать различные конструктивные элементы, турбулизирующие поток рабочей среды при ее движении в межпластинном канале с целью повышения интенсивности теплоотдачи. Эти элементы профиля, возмущающие поток (различные выступы, гофры и углубления), создают высокую жесткость пластин в собранном пакете, а в разборных конструкциях легко доступны для чистки и мойки.

Наличие возмущающих элементов  в межпластинных каналах позволило получить в серийно выпускаемых отечественной промышленностью теплообменниках при работе на воде и водных растворах солей коэффициенты теплопередачи 3500 ÷ 4100 Вт/(м²·К), что в 2 ÷ 3 раза превышает соответствующие показатели для кожухотрубчатых и других типов теплообменных аппаратов. Приведенные показатели интенсивности теплопередачи в пластинчатых аппаратах не являются пределом.

Исследования показывают, что имеются вполне реальные и  не противоречащие условиям практики возможности дальнейшего повышения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи. Теплообмен между рабочими средами происходит в тонких слоях при турбулентном их движении; при этом температурный напор может быть очень малым (2÷3°), что предотвращает пригорание и коагуляцию продукта.

5. В пластинчатых теплообменниках  успешно подвергаются тепловой обработке различные рабочие среды, начиная от газов, паров и до высоковязких и неньютоновских жидкостей, а также эмульсий и суспензий. Мировой опыт применения пластинчатых аппаратов для различных целей показывает, что они в этом отношении являются лучшими как по эффективности теплообмена, так и по условиям эксплуатации.

6. Пластинчатые теплообменники  соответствуют современным средствам автоматизации контроля и регулирования технологических процессов.

Наряду с большими достоинствами  следует отметить и трудности  в эксплуатации пластинчатых теплообменников.

При эксплуатации сварных блочных, неразборных и  полуразборных теплообменников  следует постоянно контролировать коэффициент теплопередачи и гидравлическое сопротивление аппарата. При загрязнении поверхности теплообмена коэффициент теплопередачи уменьшается, а гидравлическое сопротивление возрастает. При повышении гидравлического сопротивления до установленного максимального значения аппарат надо переключать на промывку от загрязнений. Несвоевременная промывка может вывести аппарат из строя.

Особенности конструкции  пластины в целом обычно определяет следующее:

а) конструкция  гофр или профиль рабочей теплообменной  стенки;

б) форма угловых отверстий для подвода и отвода рабочих сред и устройства для снижения гидравлического сопротивления участков входа и выхода;

в) уплотнительная система;

г) система подвески пластин на рамс аппарата и фиксации положения пластин в пакете;

д) устройство для безопасного обслуживания пакета пластин при аварийном нарушении герметичности прокладок;

е) устройство вспомогательных  конструктивных элементов пластины, повышающих жесткость собранной системы, способствующих технологичности изготовления, создающих удобства обслуживания и ремонта и т. д.

Практически эти  элементы не всегда удается рационально  совместить в одной детали.

В таблице 1 и  на рисунке 8 приводятся характеристики пластин сетчато-поточного типа с гофрами треугольной формы в «елочку». Они как наиболее эффективные, широко применяются в большинстве конструкций отечественных пластинчатых теплообменников для химических и смежных с ним производств.

 

5. Расчет 5. Расчет пластинчатого теплообменника.

Производится проектный  расчет пластинчатого теплообменника для охлаждения молока холодной водой.

Исходные данные:

Массовый расход  молока:

Объемный расход молока: м³ ,

Начальная температура  молока :

Конечная температура  молока:

Начальная температура охлаждающей воды:

Конечная температура  охлаждающей воды:

Рабочее давление в аппарате:

Располагаемый напор  на стороне молока:

Располагаемый напор  на стороне воды:

Удельная теплоемкость 

Теплофизические свойства молока при средней температуре:

Плотность:

Коэффициент теплопроводности: 

Кинематическая вязкость: м²/с

Теплофизические свойства воды при средней температуре:

 

Плотность

Удельная теплоемкость:

Коэффициент теплопроводности .

Кинематическая  вязкость : м²/с.

Аппарат проектируем на базе пластин «ПР-0,5Е» из стали Х18Н10Т  с гофрами в «елочку» и следующими техническими данными:

• поверхность теплопередачи одной пластины ;

• эквивалентный диаметр межпластинчатого канала ;
• площадь поперечного сечения одного канала ;
• длина канала (приведенная) ;
• диаметр углового отверстия ;
• толщина пластины ;
• коэффициент теплопроводности материала .

 

5.1. Тепловой  расчет

 

1. Определим количество тепла, передаваемого в единицу времени:

 

 

 

2. Находим расход охлаждающей воды:

массовый:

кг/с,

объемный:

.

3.Вычисляем средний температурный напор:

Схема потоков:

24,58^оС