Лабораторна робота 5 Робота у програмі CAS по проектуванню пластинчастих кип’ятильників або випарників з паровим обігрівом

 

Мета роботи. Метою даної теми є оволодіння навиками роботи у пакеті програм CAS 200 по проектуванню парових пластинчастих випарників або кип’ятильників фірми «Альфа Лаваль». В процесі теплообміну здійснюється фазовий перехід при конденсації парової фази, яка, у свою чергу, підігріває ріди­ну у каналах пластинчастого апарату, де також має місце фазо­вий перехід – кипіння рідини (випарювання).

 

Методичні вказівки. Програма CAS виконує розрахунки парових теплообмінників і парових кип’ятильників (випарників) з номенклатури пластинчастих апаратів різних типів вироб­ництва фірми «Альфа Лаваль». Для розрахунків апаратів з фазо­вим переходом треба вибрати опцію «Distr PHE 2-phase».

При проектуванні парових кип’ятильників (випарників) у випадному списку завдання режиму роботи по холодній стороні замість «Liquid Heating» необхідно встановити опцію «Vaporizing». Після цього з’являться елементи вікна для вибору та заповнен­ня, які наведено на рис. 18.

Рисунок 18 – Вікно для розрахунків теплообмінників з випарюванням

 

Необхідні вхідні дані для розрахунку парового кип’ятиль­ника або випарника по стороні пари задаються як і при розра­хунках парового конденсатора або підігрівача:

Ø у вікно (1) необхідно ввести температуру пари на вході у теплообмінник (або у вікно (2) – тиск пари на вході у тепло­обмінник);

Ø у лівому вікні (4) задається значення паровмісту на вході у теплообмінник, яке для насиченої пари дорівнює 1. Для вологої пари ця величина буде більше 0, але менше 1;

Ø у праве вікно (4) необхідно внести значення паровмісту на виході з теплообмінника. У загальному випадку величина паровмісту на виході з теплообмінника дорівнює 0 (повна конденсація). Якщо необхідно здійснити часткову конден­сацію, то значення більше 0, але менше 1 вноситься у праве вікно (4);

Ø величина запасу поверхні «Margin» задається рівною 0. У режимі двофазних розрахунків ця величина відображає рівень конденсату в теплообміннику і не є величиною реального запасу поверхні.

Порядок вводу даних для виконання розрахунків по стороні кипіння такий:

Ø по-перше, треба встановити режим кипіння у теплообмін­ному апараті, для чого виберемо опцію «Thermosiphon»;

Ø у вікно (8) необхідно ввести витрату рідини, що буде випа­рюватися;

Ø у правому вікні (6) треба ввести кількість пари, що присут­ня у теплоносії, який буде випарюватися і, якщо це суціль­на рідина, то це значення дорівнює 0;

Ø у лівому вікні (6) треба ввести відносне значення кількості пари у теплоносії, що буде випарюватися, тобто, якщо зада­ти це значення рівним 1, то це повне випарювання рідини, якщо 0,5, то це випарювання тільки половини і таке інше;

Ø у лівому вікні (7) задається величина температури на вихо­ді з теплообмінника теплоносія, що випарюється;

Ø якщо замість температури на виході з теплообміннику відо­мо тиск теплоносія, що випарюється, то він задається у ліво­му вікні (10);

Ø треба задати втрати тиску по стороні гарячого та холодного теплоносіїв;

Ø потужність теплообмінника або витрата пари можуть зада­ватися або не задаватися, тому що достатньо вказаних ра­ніш параметрів, щоб програма визначила недостаючі пара­метри з теплового балансу.

 

Програмні попередження та діагностика:

1. «Inlet port recovery unreasonably high! Try double inlet, more units in parallel or choose other PHE type with bigger connections!» – «Швидкість у вхідному патрубку по стороні пари обігріву надзвичайно висока! Треба додати другий вхід, або більше апаратів у паралель, або обрати апарат більшого типорозміру».

Це попередження потребує перерахунку теплообмінника, тому що перевищення швидкостей у теплообміннику не при­пустиме.

Для виправлення такого становища можна застосувати декілька методів, головна ціль яких – збільшення прохідного перерізу теплообмінника по стороні пари:

Ø відкрити додатковий вхідний паровий патрубок на прити­скній плиті (зниження швидкості пари вдвічі);

Ø встановити декілька теплообмінників у паралель (викорис­товується, коли попередній метод не забезпечує необхідну швидкість);

Ø перейти до більшого типорозміру теплообмінника з більшим перерізом вхідного патрубку.

Іноді припускається перевищення швидкості не більше, ніж 1 – 2 м/с.

2. «Maldistribution on boiling side is 15 %» – «Нерівномірність розподілу по стороні кипіння складає 15 %». Щоб уникнути появи цього попередження треба додати ще один вихідний патрубок по стороні кипіння.

Також можуть з’являтися попередження, які вже були розглянуті при проектуванні парових конденсаторів.

 

 

Приклад проектування парового випарника за допомогою програми CAS

 

Треба запроектувати паровий випарник спирту (ethanol) парою з вхідними даними, заданими у табл.12. Прийняти повну конденсацію пари обігріву. Необхідно випаровувати половину витрати спирту.

Таблиця 12 – Вхідні дані для розрахунків парового підігрі­вача-випарника спирту

Вхідна температура пари	127 °С
Вхідна температура спирту	85 °С
Витрата спирту	4600 кг/год.
Втрати тиску по стороні пари	2 кПа
Втрати тиску по стороні спирту	10 кПа

 

Для виконання завдання задамо марку теплообмінника М15М, пластини якого зі сталі AISI 316 0,5 мм завтовшки і вико­наємо розрахунки. При розрахунках виникнуть попередження (рис.19).

Рисунок 19 – Попередження про перевищення швидкості у вхідному патрубку пари та нерівномірності розподілу по стороні кипіння

 

Попередження після розрахунків вказує на перевищення швидкостей у патрубках теплообмінника. Тому необхідно зни­зити швидкість пари у патрубках. Для цього достатньо відкрити додаткові патрубки (вхідний для пари та вихідний для частково випареного спирту) на стороні притискної плити, як це наведено на рис. 20.

Оскільки в програмі CAS ми маємо можливість задавати тільки вихідну температуру теплоносія, що випарюється, треба підібрати її таким чином, щоб розраховане значення вхідної тем­ператури приблизно дорівнювало заданій величині. Для наведе­них вхідних даних температура спирту на вході буде 85°С, якщо задати вихідне значення рівним 82,9°С.

Рисунок 20 – Завдання додаткових патрубків

 

В результаті проектування (рис. 21) одержано для встанов­лення до роботи теплообмінник марки М15М з 41 пластиною, зага­льною площею теплопередачі 25,42 м2 і значенням «Margin» – 658 %.

Рисунок 21 – Результат обчислення теплообміннику

Порядок виконання роботи

1. Для заданого викладачем варіанту з табл. 13 здійснити вибір пластинчастих апаратів М15М, М20М та TS20М (для апа­ратів М20М та TS20М прийняти товщину пластин 0,6 мм) для випарювання спирту (дані, що не вказані, в табл. 13, прийняти з табл. 12).

2. Для теплообмінного апарату марки М15М провести роз­рахунки: двох апаратів, встановлених паралельно, по 50 % по­тужності та двох апаратів, встановлених паралельно, по 75 % потужності.

3. Для знайдених у пп. 1–2 теплообмінних апаратів знайти їх вартість (див. табл. 14).

4. Проаналізувати одержані результати, оцінити якість обчислення кожного апарату. Навести переваги і недоліки розра­хованих апаратів. Зробити рекомендації щодо їх встановлення на виробництві.

 

Таблиця 13 – Вхідні дані для проектування випарника спирту

Варіант	Температура пари, °С	Витрати спирту, кг/год

 

Таблиця 14 – Вартість 1 м2 поверхні теплообмінників

Тип	Вартість 1 м2 поверхні, €
М15-М
М20-М
TS20-М

Зміст звіту

1. Листінги розрахунків обраних теплообмінних апаратів.

2. Таблиця значень площі теплопередачі і вартості апаратів.

3. Аналіз одержаних результатів.

 

Контрольні запитання

1. Які методи застосовуються для зменшення швидкості у приєднаннях теплообмінника?

2. Які процеси теплообміну по стороні пари моделюються у процесі розрахунків?

3. Що таке неповне випарювання і як його реалізувати у програмі?

 

 

 

Список літератури

 

1. Справочник по теплообмінникам: пер. с англ. / под ред. О.Г. Мартыненко. – Т.2. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 352 с.

2. Пластинчатые теплообменники в промышленности / Товажнянский Л. Л., Капустенко П.А., Хавин Г.Л., Арсеньева О.П.: учеб. пособ. под. ред. Товажнянского Л.Л. – Х.: НТУ «ХПИ», 2004. – 323 с.

3. Пластинчатые теплообменники в теплоснабжении / Товажнянский Л. Л., Капустенко П.А., Хавин Г.Л., Арсеньева О.П.: под ред. Хавина Г.Л. – Х.: НТУ «ХПИ», 2007. – 448 с.

4. Compact Heat Exchangers. Selection, Design And Operation / John E. Hesselgreaves. – Pergamon Press. – An Imprint of Elsevier Science, 2001. – 437 p.

Додаток

 

 

Довідкові дані

 

Ущільнення: EPDMC(T)– 50°C, NBRP–120°C, EDPMP– 80°C;

Рама: FG–16 бар, FM–10 бар;

Призначення патрубків (стандартно): гаряча рідина: S1 – вхід, S2 – вихід; холодна рідина: S3 – вхід, S4 – вихід.

 

Матеріал та область призначення ущільнень

 

Матеріал и тип прокладок	Використання	Протипоказання
EPDM (етиленопропіле-нова гума); Бутил (ізобутілен-ізопрен кополімер)	Водні розчини, органічні рідини (альдегіди, кетони, органічні кислоти), неорганічні кислоти	Жири, масла, ароматичні вуглеці, концентровані мінеральні кислоти
Нітріл (акрілонітріл-бутадіен)	Водні розчини рідин, розбавлені кислоти, жири и мінеральні масла	Сильнодіючі розчини, що окислюють, сильнодіючі кислоти, полярні органічні розчинники
Viton G (фторвуглецева гума)	Широкий діапазон органічних рідин; жири и масла (при високих температурах) и деякі мінеральні кислоти	Ефіри, кетони

Матеріал ущільнень, що використовуються у теплообмінниках
«Альфа Лаваль»

 

Марка апарата	Матеріал прокладок
EPDM	Nitrile	HNBR	Heat Seal FTM	Viton G	NBRHTF	EPDM-FDA	AL-EPDM
M3	+	+	—	+	—	—	—	—
M3X	+	+	—	—	+	—	—	—
M3D	+	+	—	—	—	—	—	—
M6	+	+	—	+	—	—	—	—
M6M	+	+	+	—	+	—	—	—
M10B	+	+	—	—	—	—	—	—
M10M	+	+	+	+	+	—	+	—
M15	+	+	—	—	+	—	—	+
MX25	+	+	—	—	—	—	—	—
MA30 S/MFM	+	—	—	—	—	+	—	—
TS6	+	+	—	+	—	—	—	—
TS20	+	+	—	+	—	—	—	—

 

Використання різних матеріалів пластин для роботи з сірчаною кислотою різної концентрації

ЗМІСТ

 

 

Лабораторна робота 1. Робота у програмі CAS 200 по проектуванню пластинчастих теплообмінників
з теплоносіями «рідина-рідина». 4

 

Лабораторна робота 2. Розрахунки у програмі CAS 200 для вибору пластинчастих теплообмінників з теплоносіями «рідина-рідина». 12

 

Лабораторна робота 3. Робота у програмі
CAS 200 по проектуванню пластинчастих теплообмінників з фазовим переходом (конденсація пари) у каналах. 20

 

Лабораторна робота 4. Проектування парових підігрівачів дефекованого цукрового соку. 32

 

Лабораторна робота 5. Робота у програмі CAS
по проектуванню пластинчастих кип’ятильників або
випарників з паровим обігрівом.. 36

ДОДАТОК.. 44

 

 

 

 

План 2012 р. поз. 113

Підписано до друку 02.04.2013 р. Формат 60´84 1/16. Папір офiсний.

Друк – ризографiя. Гарнітура School Book. Ум. друк. арк.

Наклад 50 прим. Зам № Ціна договірна.

 

______________________________________________________

Видавничий центр НТУ «ХПІ».

Свідоцтво про державну реєстрацію ДК №3657 від 24.12.2009 р.

61002 Харків, вул. Фрунзе, 21

______________________________________________________

 

Друкарня НТУ «ХПІ», 61002 Харків, вул. Фрунзе, 21

 

Навчальне видання

 

Методичні вказівки

 

до лабораторних робіт з курсу
«Проектування та розрахунок теплообмінного обладнання»

 

для студентів спеціальності
«Комп’ютерно-інтегровані процеси та виробництва»
денної форми навчання

 

Укладачі: БАБАК Тетяна Геннадіївна

ХАВІН Геннадій Львович

 

Відповідальний за випуск В.Є. Ведь

Роботу до видання рекомендував О.Г. Рассоха

 

В авторській редакції