/>МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВоеннаяАкадемия войск РХБ защиты и инженерных войск
КАФЕДРА №11
Огнеметно-зажигательного вооружения,средств аэрозольного противодействия и специальной обработки
РАСЧЁТНО–ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
по курсовой работе на тему:
«Расчёт, разработка и проектированиетеплообменного аппарата»
Выполнил: курсант 3 курса
инженерного факультета
Поддымин А.В.
Руководитель: доцент
К.Т.Н. Солодов Ю.В.
Кострома 2011 г.
Содержание
1. Введение
2. Тепловой расчёт теплообменника
2.1 Предварительный тепловой расчёт
2.2 Уточнённый тепловой расчёт
2.3 Механический расчёт
2.4 Конструктивный расчёт
2.5 Гидравлический расчёт
2.6 Расчёт теплоизоляции
Вывод
Список использованной литературыПриложение
1.Введение
Теплообменные аппараты предназначены для проведениятеплообменных процессов: нагревания, охлаждения, конденсации испарения. Взависимости от области применения теплообменники имеют соответствующиетехнологические названия:
При нагревании – подогреватели; при охлаждении –холодильники;
при конденсации – конденсаторы; при испарении – испарители.
В промышленности главным образом применяются рекуперативные,или поверхностные теплообменники, в которых тепло от одного носителя к другомупередается через разделяющую их стенку.
Наибольшее распространение в химической промышленностиполучили кожухотрубчатые теплообменники. Из общего количества применяемойтеплообменной аппаратуры на долю кожухотрубчатых теплообменников приходитсяболее 80%. Государственным стандартом 9929-61 предусмотрен выпуск четырёх типовкожухотрубчатых теплообменников: ТН, ТЛ, ТП и ТУ.
Кожухотрубчатые теплообменники ТН имеют жесткий кожух инеподвижные приварные трубные решётки. Выпускаются промышленностью ввертикальном или горизонтальном исполнении одно-, двух-, четырёх-,шестиходовыми по трубному пространству с перегородками и без перегородок вмежтрубном пространстве. Эти аппараты применяются при сравнительно малойразности температур между кожухом ипучком труб (до 30-50оС) втехслучаях, когда нет необходимости в механической чистке межтрубногопространства. Рассчитаны на давление 0,6; 1,0; 2,5 и 4 Мн/м2 длярабочих сред с температурой от –30 до 200оС. Могут быть использованыпри более высоких температурах (до 400оС), однако в этом случае допустимоерабочее давление будет ниже. По сравнению с другими типами кожухотрубчатыхтеплообменников потребление теплообменников типа ТН за последние 10 летсоставило более 70%.
2.Тепловой расчёт теплообменника
Тепловой расчёт теплообменника подразделяется напредварительный и уточнённый. Целью предварительного теплового расчёта являетсяориентировочное вычисление поверхности теплообмена и определение типа аппарата.При выполнении предварительного расчёта задаются величиной коэффициентатеплоотдачи. Уточнённый тепловой расчёт проводится с целью проверкиправильности принятого коэффициента теплопередачи и уточнение величиныповерхности теплообмена.2.1Предварительный тепловой расчётВыборсхемы движения теплоносителей
Лучшие результаты показывают противоположные движениятеплоносителей, так как обеспечивают большую разность температур, что в своюочередь приводит к наиболее благоприятным условиям теплопередачи приминимальной температуре стенок аппарата. Так как обе жидкости чистые, то втрубное пространство направляю теплоноситель с большей температурой.Определениесредней разности температур
Для определения средней разности температур процессатеплообмена (температурного напора) вычисляю разность температур на концахтеплообменника.
tнач, гор=66°C tкон, гор=24°C
tнач, хол=14°C tкон, хол=23°C
/>/>
Наибольший перепад температур:
/>tб=tнач, гор – tкон, хол=66–23=43;
Наименьший перепад температур:
/>tм=tкон, гор – tнач, хол=24–14=10.
/>>/>. Тогда рассчитываем поформуле:
/>Определениесредних температур теплоносителей
Так как разность температур горячего теплоносителя большеразности температур холодного теплоносителя, то средние температурытеплоносителей определяем по формуле:
/>;
tср, гор=tср, хол +/>tср=22,6+18,5=41,1/>.
Определение физических свойств теплоносителей при среднихтемпературах
Определяю основные физические свойства теплоносителей сиспользованием математического метода интерполяции.свойства единица измерения
бензол при 51,1/>
вода при 22/> плотность, ρ
кг/м3 856,9 998 теплоёмкость, С Дж/кг·град
1,83·103
4,19·103 теплопроводность, λ Вт/м·град 0,14 0,599 динам. вязкость, μ
Н·с/м2
0,4864·10-3
1·10-3 Определениетепловой нагрузки
Определяю тепловую нагрузку аппарата по теплоносителю,который имеет меньше тепловых потерь в окружающую среду. Для кожухотрубчатыхтеплообменников таким теплоносителем будет теплоноситель, направленный втрубное пространство, т. е. горячий.
Qгор=Gгор·Cгор·(tнач, гор–tкон, гор)=20·1,83·103(66–24)=1537200Вт.Определениерасхода холодного теплоносителя
Определяем расход холодного теплоносителя (потребноеколичество воды) по формуле:
/>.Определениеповерхности теплообмена
Задаёмся ориентеровачным значением коэффициента теплопередачи.Из приложения 9 [1] от жидкости жидкостям при возбуждённом движениитеплоносителя К=300…1700 Вт/м2·град. Принимаю К=1000. Поверхностьтеплообмена определяю по формуле:
/>Выбортеплообменника
Выбираю теплообменник по величине поверхности теплообмена.Выписываем из каталога [1] характеристики всех теплообменников, имеющихповерхность теплообмена близкую к рассчитанной в п. 2.1.7.№п/п число ходов, z
поверхность,
F [м2]
диаметр
кожуха,
Д [мм]
диаметр
труб,
d [мм]
длина труб,
L [мм]
число труб,
n
шаг,
t [мм] 1 1 71 600 38 5000 121 48 2 2 69 800 38 3000 196 48 3 4 67 800 25 2000 446 32 4 6 69 800 38 4000 146 48 Определениескорости для теплообменников в трубном пространстве
Определяем скорости для каждого теплообменника по формуле:
/>
–скорость в трубном пространстве (W1):
/>м/с;
/>м/с;
/>м/с;
/>м/с.
Отбираем теплообменники, у которых скорость теплоносителяявляется приемлемой. Рекомендуемая скорость движения теплоносителя изприложения 7 [1] для жидкости лежит в интервале [0,5;2,5] м/с. В данныйинтервал попадают скорости движения теплоносителей в трубном пространстве четырёхи шестиходового теплообменников.Определениескорости для теплообменников в межтрубном пространстве
Определяю для выбранных аппаратов скорости движениятеплоносителей в межтрубном пространстве с учётом наличия перегородок.Рекомендуемое количество перегородок в межтрубном пространстве для четырёх ишестиходового теплообменников с диаметром кожуха Д=800 и 800мм и длиной трубок L=2000 и 4000 мм согласно приложению 6[1] составило 4 и 10 шт. Определяю для выбранных аппаратов скорости вмежтрубном пространстве с учётом перегородок (принимая расстояние между ними: h=L/(n+1)). Для 4-х и6-стиходового теплообменника hбудет равно 0,6 и 0,44 по формуле:
/>/>
/>
/>
Таким образом, по условиям приемлемых скоростей в трубном имежтрубном пространствах выбираю шестиходовой теплообменник с диаметром корпусаД=800мм.2.2 Уточнённыйтепловой расчётПринятиеприближённых температур
Задаюсь температурами стенки со стороны горячего и холодноготеплоносителей и определяю физические свойства при этих температурах.
/>
tст гор=39/>; tст хол=25/>Определениефизических свойств теплоносителей при средних температурах
Определяю основные физические свойства теплоносителей сиспользованием математического метода интерполяции.свойства единица измерения
бензол при 39/>
вода при 25/> плотность, ρ
кг/м3 858 996,5 теплоёмкость, С Дж/кг·град
1,826·103
4,184·103 теплопроводность, λ Вт/м·град 0,1403 0,6061 динам. вязкость, μ
Н·с/м2
0,492·10-3
0,9·10-3 Определениекоэффициента теплоотдачи трубного пространства
Для этого вычисляем критерии Рейнольдса для теплоносителяпротекающего в трубке:
/>>/>
Вычисляем критерий Pr по формуле:
/>.
/>;
/>.
Вычисляем критерий Nu по формуле:
/>
/>, т.к. />>/>
/>
Определяем коэффициент теплоотдачи трубного пространства поформуле:
/>.
Принимаем dрасч=dвн, полагая, что α1
/> вт/м2град.Определениекоэффициента теплоотдачи межтрубного пространства
Для этого вычисляем критерии Рейнольдса для теплоносителяпротекающего в трубке:
/>, dрасч=d
Межтрубное пространство имеет прегородки, поэтому критерийНуссельта определяем по формуле для поперечного обтекания шахматного пучкатруб:
/>.
Коэффициент />,учитывающий влияние угла атаки />, длянашего расчета принимаем равным />=0,6[12, т. 5, стр. 563, п.42]
Вычисляем Pr поформуле:
/>.
/>
/>
Вычисляем критерий Nu по формуле:
/>
Определяем коэффициент теплоотдачи трубного пространства поформуле:
/>
Принимаем dрасч=d.
/> вт/м2град.Определениекоэффициента теплопередачи
Определяем коэффициент теплдопередачи по формуле:
/>
/>вт/м2*град.
Принимаем
rзагр1=/> вт/м2*град(прилож. 10),
rзагр2=/> вт/м2*град(прилож. 11),
/> вт/м2*град(прилож. 12).Пересчётсредней температуры процесса теплообмена
Поскольку мы выбрали шестиходовой теплообменник, в которомтеплоносители имеют смешанный ток движения, то требуется пресчитать среднюютемпературу процесса теплообмена
/>.
Коэффициент /> определяемпо номограмме [12, т. 5, стр. 548-550] с использованием вспомогательныхвеличин:
/>
/>
По схеме рис. VII-II [12, т. 5, стр. 548]
/>;/>Проверяемправильность принятых температур стенок
/>
/>
Полученные величины отличаются от принятых более чем на 1/>. Повторяем расчёт, начинаяс п. 2.2.1.
/>=34/> />=25/>Физическиесвойства теплоносителейсвойства единица измерения
Бензол при 34/>
вода при 25/> плотность, ρ
кг/м3 868,5 996,5 теплоёмкость, С Дж/кг·град
1,803·103
4,184·103 теплопроводность, λ Вт/м·град 0,1415 0,6061 динам. вязкость, μ
Н·с/м2
0,529·10-3
0,9·10-3 Повторноевычисление коэффициента теплопередачи трубного пространства
/>
/>
/> вт/м2*градПовторноевычисление коэффициента теплоотдачи межтрубного пространства
/>
/>
/> вт/м2*градКоэффициенттеплопередачи
/> вт/м2*градПроверкаправильность принятой (повторно) температуры стенки
/>
/>
Полученные температуры стенки отличаются от принятых менеечем на 1/> , поэтому дальнейшегоприближения не производим.Поверхностьтеплообмена
/>
Расчетная величина поверхности теплообмена больше принятой,поэтому имеется возможность использовать теплообменник большей длины.Обращаемся к каталогу и окончательно выбираем шестиходовой ТН на давление до 0,6Мн/м 2 №46 с параметрами:
поверхность
теплообмена,
F, м2
диаметр
корпуса
Dм, мм
длина
труб,
l, м
диаметр
труб
d, мм
число
труб,
nтр, шт 88 800 5 38 146
2.3 Механический расчёт
Механический расчет теплообменника сводится к определениюосновных элементов аппарата (кожуха, крышек, трубных решеток и т.п.)обеспечивающих его прочность, жесткость и безопасную длительную эксплуатациюаппарата.
Толщина стенки корпуса. Принимаем конструкционный материалσдоп=136*106 Н/м2, коэффициент сварногошва φ = 0,8, добавку для компенсации коррозии С = 0,002 м, дополнительную добавку Сдоп=0, давление Р = 4 мПа
/>
Принимаем />=20мм
Выбираем эллиптическую конструкцию камер.
Толщина эллиптического днища
у = 2, табл. Стр. 51
/>
Принимаем /> =20мм
Производим расчет толщины трубной решётки:
/>
С – добавки для компенсации коррозии (С=0,003)
t- шаг между труб (t=0,048)
2.4 Конструктивный расчётПринятиеформы
Принимаем эллиптическую форму входной и выходной камеры свысотой борта 40 мм. Ёмкость такого днища 87 л. (прилож. 16), масса – 36кг.Определениедиаметров патрубков
Принимаем скорость теплоносителей в патрубках vпатр=1,5м/с и определяем диаметрпатрубков:
/>
/>
Принимаем диаметр патрубков для бензола:
dпатр=150мм,
/>
Принимаем диаметр патрубков для воды:
dпатр=200мм.Принятиевеличины вылета штуцера 300ммВыборподкладочного материала
Для бензола – асбестовый картон. Для воды – резину.Определениемассы теплообменника
Масса труб:
/>.
/>
Масса кожуха:
/>.
/>
Масса аппарата в целом:
/>Произведениерасчёта опорных лап
Принимаем вертикальное расположение аппарата и производимрасчёт опорных лап.
Объём трубного пространства:
/>
Объём межтрубного пространства:
/>
Масса воды в полностью заполненном аппарате:
/>
Максимальная масса аппарата, заполненного водой:
/>
Принимаем число опорных лап равное двум и определяемнагрузку, приходящуюся на одну опорную лапу:
/>
По таблице (прилож.21) принимаем опорные лапы на нагрузку Р=40000Н.
/>
нагрузка на лапы,
Н·10-3
Опорная площадь,
м2·103
Удельное давление,
Н/м2·10-4 размеры, мм
масса,
кг с а b H S d 40 29,7 135 190 160 170 280 10 30 6,2
Эскизная схема теплообменника
/>2.5Гидравлический расчёт
теплообменный аппарат конденсат испарениеОпределениегидравлического сопротивления трубного пространства
Производим с целью определения гидравлических сопротивленийпри прохождении теплоносителей через теплообменный аппарат. Величину потерьдавления используют при выборе насосов.
Гидравлические сопротивления трубного пространства определяемсумму коэффициентов местных сопротивлений по таблице, используя схемутеплообменника.
Таблица 6Характер местных сопротивлений ζ Входная или выходная камера 1,5 Вход в трубы или выход из них 1,0
Поворот между ходами на 180˚ 2,5 Вход в межтрубное пространство или выход из него 1,5 Поворот через перегородку в межтрубное пространство 1,5 Поперечное движение в межтрубном пространстве
/>
Сумма местных сопротивлений:
1. вход в камеру – 2
2. вход в трубку – 6
3. выход из трубки –6
4. число поворотов –5
Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений
/>
Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства
Принимаем λ1=0,04, тогда, используя формулыгидравлики:
/>
Вычисляем коэффициент сопротивления поперечному движениюжидкости в межтрубном пространстве
/>
/>
Сумма местных сопротивлений:
1. ходовыеперегородки – 10
2. вход – 1
3. выход – 1
4. поворот междуходами – 10
5. движений – 11
/>
/>
Мощность потребная для перемещения теплоносителей черезтеплообменник
Мощность потребная для перемещения теплоносителя через теплообменникопределяется по формуле:
/>
Трубное пространство
/>
Межтрубное пространство
/>
/>—к.п.д. насоса или вентилятора. Дляориентировочных расчетов за к.п.д. условно принимаю />=0,6.
Общая потребная мощность определяется по формуле:
/>
/>
2.6 Расчёт теплоизоляции
Потери тепла в окружающую среду определяются по формуле:
/>
/>
/>
/>суммарныйкоэффициент теплоотдачи в окружающую среду от поверхности аппарата, котрыйопределяется по формуле:
/>
/>
Fднища определяем из приложения 16 [1].
Fднища =0,8м2.
/>
/>
Рассчитываем теплоизоляцию и выбираем термоизоляционныйматериал: асбест пушённый.
Толщину слоя изоляции в условиях свободного движения воздухапри t=20/>определяемпо формуле:
/>; по таблице3.6.1 [1] q1=175Вт/м;
/>
Толщина слоя изоляции:
/>
Вывод
В процессе выполнения курсовой работы произвёл расчётытеплообменного аппарата типа ТН, который имеет следующие характеристики:
· поверхностьтеплообмена: F=121м2;
· внутреннийдиаметр корпуса: D=800мм;
· число ходов: z=4;
· количествоперегородок: nпер=12шт;
· количество труб: nтр=170шт;
· полная массааппарата: М=7822кг.
В результате выполнения была выбрана конструкция и определеныеё размеры, рассчитаны параметры опорных лап, определена масса конструкции, атакже потребная мощность для перемещения теплоносителя через теплообменник.
Список литературы
1 М.И.Лазарев, Н.Ф. Шатров «Руководство по курсовому проектированию». Часть 1.
2 А.Ф.Карасёв, Ю.В. Хушишкили «Учебное пособие по курсовому проектированию(теплообменные аппараты)».
3 К.Ф.Павлови др. «Примеры и задачи по курсу ПАХТ». Изд. «Химия», 1964г.
4 А.Н.Плановскийи др. «ПАХТ». Изд. «Химия», М., 1968г.
5 О.Флореа,О Смигельский «Расчеты по ПАХТ». Изд. «Химия», М., 1971г.
Приложение
/>
/>