Projekt Nr 2

Płytowy wymiennik ciepła

Zaprojektować płytowy wymiennik ciepła do oziębiania W[kg/s] produktu reakcji od temperatury t_p = t do temperatury t_k = t-10 [C]. Czynnikiem oziębiającym jest solanka o temperaturze początkowej t_sp[C]. Ilość solanki dobrać tak aby ogrzała się ona w wymienniku o 8K. Zastosować płyty 105D produkcji Fabryki Mleczarskiej w Warszawie o parametrach:

• powierzchnia wymiany ciepła jednej płyty A = 0,367m²,

• grubość płyty δ = 1,1⋅10^-3 m,

• średnia odległość płyt h = 4,3⋅10^-3 m,

• szerokość kanału między płytowego b = 0,337m,

• zastępcza długość kanału l = 1,15m,

• przekrój poprzeczny powierzchni między płytowej F = 1,45⋅10^-3 m²,

• przewodność cieplna materiału płyty λ = 40 W/(m⋅K).

Projekt powinien zawierać obliczenia wymiennika, diagram płyt oraz dobór pomp.

1. Obliczenia ilości solanki.

Z bilansu cieplnego wymiennika

Wc_p⋅10 = Sc_s⋅8 (1)

obliczmy potrzebną ilość solanki S[kg/s].

2. Obliczenia powierzchni wymiany ciepła w wymienniku.

2.1 Obliczenie rzeczywistych prędkości cieczy w kanałach dla solanki i produktu.

W wymiennikach płytowych prędkości przepływu cieczy w kanałach najczęściej wahają się w granicach 0.5-1.0m/s. Należy zatem wstępnie założyć prędkości u obu czynników (solanki i produktu) ok. 0.75m/s a następnie obliczyć ich prędkości rzeczywiste.

solanka

Dla założonej prędkości solanki u_s^' wymagana powierzchnia przekroju przepływu we wszystkich kanałach jednego pakietu wyniesie

(2)

Zatem liczba kanałów w jednym pakiecie

(3)

Liczbę z_s^' zaokrąglamy do najbliższej liczby całkowitej z_s (liczba kanałów może być tylko liczbą całkowitą) i z równania (4) obliczamy rzeczywista prędkość solanki u_s (objętościowe natężenie przepływu podzielone przez rzeczywistą powierzchnię przepływu)

(4)

produkt

Obliczenia prowadzimy identycznie jak dla solanki otrzymując w efekcie rzeczywistą liczbę kanałów z_p oraz rzeczywistą prędkość przepływu produktu u_p.

2.2. Obliczenie powierzchni wymiennika

Dla tak obliczonych prędkości rzeczywistych solanki i produktu obliczamy współczynniki wnikania ciepła α oraz wymaganą powierzchnię wymiany ciepła A₀ całego wymiennika zgodnie z p.8.4.1.4 [1] przy czym w równaniu (8.22) współczynnikiem proporcjonalności nie jest wartość 0,27 a wartość 0.087 (wartość Δt_z w równaniu (8.27) oznacza silę napędową w projektowanym wymienniku i w opisie projektu powinien znajdować się schemat wymiennika z zaznaczonymi temperaturami wlotu i wylotu czynników).

3. Obliczenie liczby pakietów w wymienniku.

solanka

Wymiennik musi się składać z takiej liczby pakietów aby jego powierzchnia wymiany ciepła była równa lub większa od wymaganej powierzchni A₀ obliczonej w p.2. Zatem liczba pakietów p_s^' powinna być równa

(4)

Liczbę p_s^' zaokrąglamy do najbliższej liczby całkowitej p_s.

produkt

Obliczenia wykonujemy podobnie jak dla solanki otrzymując rzeczywistą liczbę pakietów w wymienniku dla produktu p_p.

4. Diagram wymiennika.

Zgodnie z konstrukcją wymiennika te same płyty tworzą kanały dla solanki i produktu czyli liczba płyt w wymienniku obliczona jako odpowiednie iloczyny (2⋅z_s⋅p_s) lub (2⋅z_p⋅p_p) powinna być ta sama (tylko wtedy istnieje fizyczna możliwość zbudowania takiego wymiennika). Oznacza to również równość iloczynów (z_s⋅p_s) oraz (z_p⋅p_p). Ze względu na czynione prze nas podczas obliczeń zaokrąglenia liczby kanałów i liczby pakietów, iloczyny te zazwyczaj nie są równe. Należy doprowadzić do równości liczby kanałów dla obu mediów stosując pakiety różnokanałowe (pakiety o różnej liczbie kanałów). Przykładowo:

Wymiennik

3 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3 (18 kanałów)

4 + 4 + 4 + 4 (16 kanałów)

można doprowadzić do wymiennika 18-, 17- lub 16-kanałowego dla obu czynników. Np. jeden z wielu wymienników 16-to kanałowych mógłby wyglądać następująco:

3 + 3 + 2 + 2 + 3 + 3 (16 kanałów)

4 + 4 + 4 + 4 (16 kanałów)

lub wymienników 17-to kanałowych

2 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3 (17 kanałów)

4 + 4 + 5 + 4 (17 kanałów).

Uwaga: końcowe rozwiązanie musi uwzględniać fakt, że rzeczywista powierzchnia wymiany ciepła A_rz powinna być większa o ok. 7÷15% od teoretycznej powierzchni obliczeniowej A₀

(5)

Przy ustalaniu diagramu wymiennika należy stosować się do następujących reguł:

1. Liczba kanałów w poszczególnych pakietach dla tego samego medium nie może się różnić więcej niż o 1,

2. Zapas rzeczywistej powierzchni wymiany ciepła A_rz w stosunku do powierzchni obliczeniowej powinien wynosić 7 ÷ 15% co odpowiada stosunkowi

(6)

(odpowiednie obliczenia przedstawić w opisie projektu).

Po ustaleniu wielkości wymiennika należy wykonać jego diagram posługując się przykładem przedstawionym na rys 8.2 [1].

5. Obliczenia oporów przepływu obu czynników oraz dobór pomp.

solanka

Spadek ciśnienia dla wszystkich pakietów obliczamy z zależności (7)

(7)

gdzie współczynnik oporu ς można obliczyć z zależności

(8)

dla stałej C=4,0.

Moc pompy obliczamy z klasycznej zależności

(9)

Sprawność pompy η przyjąć 0,7.

Z katalogu pomp dobrać odpowiednią pompę w zależności od wartości V oraz ΔP.

produkt

Wykonać identyczne obliczenia jak dla solanki.

Literatura.

1. A. Heim, B. Kochański, K.W. Pyc, E. Rzyski: Projektowanie aparatury chemicznej i spożywczej, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 1993.

---