--PAGE_BREAK--Рассчитываем температуру стенки со стороны воды [1, с.16]:
, (9)
По формуле (9):
0С.
При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]
(Рrст2)І= 2,48.
С учетом температуры стенки
;
.
Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:
Сравнивая (q1)Iс (q2)I, приходим к выводу, что 91571,5>>52088, поэтому расчет температуры стенки продолжаем, задаваясь другим значением температуры стенки со стороны пара.
Второе приближение
Задаемся температурой стенки со стороны пара (tст1)II = 105 0С.
Температура пленки: 0С, тогда = 133-105 = 28 0С
Для = 14 0С:
= 58,46·10-2 Вт/(м·К);
= 999,2 кг/м3;
= 2467,6 ·103 Дж/кг;
= 1186 ·10-6 Па·с.
По формуле (7):
Вт/(м2·К).
Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:
Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):
0С.
При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]
(Рrст2) = 2,158.
С учетом температуры стенки:
;
.
Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:
И во втором приближении разница между (q1)ІІ и (q2)II более 5%
Расчет продолжаем, определяя tст1графически по пересечению линий q1=f(tст1) и q2=f(tст2)
По найденному графически температуре (tст1)ІІІ=104,15С выполняем третий, проверочный расчет.
Температура пленки: 0С, тогда = 133-104,5 = 28,85 0С
Для = 14,425 0С:
= 58,56·10-2 Вт/(м·К);
= 999,15 кг/м3;
= 2466·103 Дж/кг;
= 1173 ·10-6 Па·с.
По формуле (7):
Вт/(м2·К).
Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:
продолжение
--PAGE_BREAK--Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):
0С.
При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]
(Рrст2)= 2,1.
С учетом температуры стенки:
;
.
Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:
Сравнивая (q1)III с (q2)ІІІ, приходим к выводу, что отклонение
т.е. не превышает 5%, поэтому расчет можем считать законченным.
Удельные тепловые потоки по обе стороны стенки равны (рис.2)
Рис. 2 Схема процесса теплопередачи
По формуле (7) коэффициент теплопередачи:
.
Площадь поверхности аппарата определяем по формуле (1):
м2,
По [1, табл. 1.8] ГОСТ 15122-79 окончательно выбираем двухходовой аппарат диаметром d=325 мм, с числом труб n= 56 шт, с длиной теплообменных труб L= 4000 мм и F= 17,5 м2.
1.8 Обозначение теплообменного аппарата
1) Диаметр кожуха D= 325 мм по [1, с. 29] ГОСТ 9617-76.
2) Тип аппарата ТНВ – теплообменник с неподвижными трубными решётками вертикальный.
3) Условное давление в трубах и кожухе – 0,3 МПа.
4) Исполнение по материалу – М1.
5) Исполнение по температурному пределу – 0 – обыкновенное.
6) Диаметр трубы d=25 мм.
7) Состояние поставки наружной трубы – Г – гладкая.
8) Длина труб L=4,0 м.
9) Схема размещения труб – Ш – по вершинам равносторонних треугольников.
10) Число ходов – 2.
Группа исполнения – А.
Теплообменник гр. А ГОСТ 15122-79.
Рис. 3. Вертикальный двухходовой кожухотрубчатый теплообменник
1-кожух; 2-трубная решетка; 3-трубка, 4-крышка, 5-распределительнаякамера
2. Конструктивный расчет
Цель конструктивного расчета теплообменных аппаратов с трубчатой поверхностью теплообмена – расчет диаметров штуцеров и выбор конструкционных материалов для изготовления аппаратов, трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных трубок и трубных решеток к кожуху; конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними; распределительных камер, крышек и днищ аппарата; фланцев, прокладок и крепежных элементов; конструкций компенсирующего устройства, воздушников, отбойных щитков, опор и т.п [1, стр.42].
2.1 Выбор конструкционных материалов для изготовления аппарата
Материал выбирают по рабочим условиям в аппарате: температуре, давлениям, химическим свойствам теплоносителей и др. При выборе материала пользуемся рекомендациями [1, табл. 2.2] и ГОСТ 15199-79, 15120-79, 15121-79, в которых указаны материалы основных деталей в зависимости от группы материального исполнения.
Группа материального исполнения – М1. Материал: кожуха – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-79; распределительной камеры и крышки – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-89; трубы – сталь 10 ГОСТ 8733-87 [1, табл. 2.2].
2.2 Выбор трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток к кожуху
Трубные решетки изготавливаются обычно цельными, вырезкой из листа. Для надежного крепления трубок в трубной решетки её толщина Sр(min)(в мм) должна быть не менее [1, с. 45]
, (11)
где с – прибавка для стальных трубных решеток, мм, с = 5 мм;
dн– наружный диаметр теплообменных трубок, мм, dн= 25 мм.
По формуле (11):
мм.
Толщину трубной решетки выбираем в зависимости от диаметра кожуха аппарата и уловного давления в аппарате [1, табл. 2.3]:
Sр= 27 мм.
Размещение отверстий в трубных решетках, их шаг регламентируется для всех теплообменников ГОСТ 9929-82.
По [1, с. 46] определяем шаг при размещении труб по вершинам равносторонних треугольников: при dн= 25 мм, t= 32 мм; отверстия под трубы в трубных решетках и перегородках размещают в соответствии с ГОСТ 15118-79 [1, табл. 2.6].
Размещение отверстий в трубных решетках выбранного аппарата показано на рис. 3.
Рис. 4 Размещение отверстий в трубных решетках
Основные размеры для размещения отверстий под трубы 25 х 2 мм в трубных решетках выбираем по [1, табл. 2.7], диаметр предельной окружности, за которой не располагают отверстия под трубы:
D= 287 мм,
2R= 281 мм,
Число отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках по рядам:
0 ряд – 6
1 ряд – 9
2 ряд – 8
3 ряд – 7
4 ряд – 4
Общее число труб в решетке – 56 шт.
Отверстия в трубных решетках выполняем гладкими. По ГОСТ 15118-79 под трубы с наружным диаметром 25 мм установлен диаметр 25,5 мм.
Крепление труб в трубной решетке должно быть прочным, герметичным и обеспечивать их легкую замену. Применяем для крепления труб способ развальцовки с последующей отбортовкой (рис. 4).
Рис.5 Крепление труб в трубной решетке развальцовкой споследующей отбортовкой
Конец трубы, вставленной с минимальным зазором в отверстие трубной решетки, расширяется изнутри раскаткой роликами специального инструмента, называемого вальцовкой.
По [1, табл. 2.8] в соответствии с ГОСТ 26291-94 принимаем минимальную толщину стенки корпуса S= 6 мм.
2.3 Выбор конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними. Отбойники
Применяем внутренние поперечные перегородки с диаметрально чередующимся в них сегментными средами для поддержания расстояния между трубами (рис. 6).
Рис.6 Конструктивная схема поперечных перегородок
Диаметр отверстий для труб в перегородках 28 мм [1. с. 57]. Номинальный диаметр поперечных перегородок Dп=310 мм [1. с.58].
Неподвижные трубные решетки занимают место во впадинах фланцев корпуса и крышек (рис. 7).
Рис. 7 Узел крепления неподвижной трубной решетки: 1 – решетка трубная; 2 – фланец; 3 – прокладка;4 – трубка теплообменная; 5 – кожух; 6 – крышка.
Для того чтобы теплообменники лучше работали, необходимо обеспечить минимальный зазор между корпусом и перегородкой. Номинальный диаметр Dппоперечных перегородок принимают в зависимости от внутреннего диаметра аппарата [1, с. 58]: Dп= 310 мм при D=315 мм. Максимальное расстояние между перегородками принимаем по [1, с. 58] равным 800 мм, а минимальная толщина перегородок [1, с. 59] 8 мм.
Взаимное расположение поперечных перегородок фиксируют несколькими стяжками между ними. Стяжки придают пучку жесткость и дополнительную прочность, обеспечивают удобства его сборки. Они представляют собой тяги из круглого прутка, пропущенные через отверстия перегородок и трубных решеток. В промежутке между перегородками надеты распорные трубки. Число стяжек принимаем в зависимости от диаметра аппарата [1, с. 59]:
диаметр стяжек – 12 мм,
число стяжек – 4.
При входе среды (пара) в межтрубное пространство теплообменника часто устанавливают отбойник, который защищает от местного износа трубы, расположенные против входного штуцера (рис. 7).
Рис. 8 Схема размещения отбойника
Отбойник выполняют в виде круглой пластины. Его размер должен быть не меньше внутреннего диаметра штуцера D1, т.е. [1, с. 59].
¸20),
D= 200+15=215 мм.
Отбойник не должен создавать излишнее гидравлическое сопротивление, поэтому расстояние от внутренней поверхности корпуса до отбойника должно быть [1, с. 59]:
, мм.
2.4 Выбор крышек и днищ аппарата
Крышки и днища теплообменных аппаратов выбираем в зависимости от диаметра кожуха. Наиболее распространенной формой днищ и крышек является эллиптическая форма с отбортовкой на цилиндр (рис. 8).
Рис. 9 Днище эллиптическое с отбортовкой
По [3, табл. 16.1] выбираем размеры днища эллиптического отбортованного стального диаметром 800 мм:
Sd= 6 мм, Нd= 81 мм, hу= 25 мм.
Днище 325 х 6-25 ГОСТ 481-58 [3, табл. 16.1].
Выбранное днище используем для изготовления входной и выходной крышек аппарата.
Марка стали – 09 Г 2 С [3, табл. 16.1].
2.5 Расчет диаметров штуцеров, выбор фланцев, прокладок и крепежных элементов
Присоединение трубопроводов к теплообменным аппаратам бывает разъемным и неразъемным. Разъемное присоединение труб осуществляется при помощи фланцевых резьбовых штуцеров. При диаметре трубопроводов более 10 мм применяют фланцевые штуцеры.
Диаметр штуцера зависит от расхода и скорости теплоносителя [1, с. 64]:
, (12)
где V– объемный расход теплоносителя, м3/с;
– скорость движения теплоносителя в штуцере, м/с;
S– площадь поперечного сечения штуцера, м2, .
Скорости движения теплоносителей в штуцерах выбирают по [1, табл. 1.4], принимая их несколько большими, чем в аппарате.
Диаметр штуцера:
, (13)
Диаметр штуцеров для входа и выхода воды рассчитываем по уравнению (13), принимая скорость движения воды в штуцерах равной 2,0 м/с.
м.
Принимаем dш= 50 мм.
Диаметр штуцеров для насыщенного водяного пара и конденсата, расход которых D= 6,24·10-1 кг/с.
Тогда объемный расход пара:
м3/с,
а конденсата:
м3/с.
Тогда, принимая скорость пара в штуцере м/с, получаем:
м.
Принимаем dп= 100 мм.
Скорость конденсата в штуцере м/с, тогда
м.
Принимаем dк= 32 мм.
Принимаем штуцера со стальными плоскими приварными фланцами с соединительным выступом (тип 1 – рис. 10).
Рис. 10 Фланец для штуцеров
Выбираем по Dуи ру = 0,6 МПа [3, табл. 21.9].
Основные размеры фланцев:
· фланцы штуцеров для ввода и вывода воды – Фланец 50-3 ГОСТ 1255-67: Dу= 50 мм, Dб=110 мм, Dф= 140 мм, h= 13 мм, z= 4 шт, dб=12мм;
· фланец штуцера для ввода водяного пара – Фланец 100-3 ГОСТ 1255-67: Dу=100 мм, Dб= 170 мм, Dф= 205 мм, z= 4 шт, h= 15 мм, dб= 16 мм;
· фланец штуцера для вывода конденсата – Фланец 30-3 ГОСТ 1255-67: Dу=32 мм, Dб= 90мм, Dф= 120 мм, h= 15 мм, z= 4 шт, dб= 18 мм.
Для присоединения крышек к корпусу аппарата используем тип 2 диаметром 325 мм (рис. 10).
Рис. 11 Фланец для аппарата
По [3, табл. 21.9] выбираем основные размеры фланцев для аппарата: фланец I-325-3 ГОСТ 1235-67: Dб= 395 мм, Dф= 435 мм, h= 20 мм, dб= 20 мм, z= 12т; прокладка – паронит ГОСТ 481-80.
2.6 Проверка необходимости установки компенсирующего устройства
Жесткое крепление трубных решёток к корпусу аппарата и труб в трубной решетке обуславливает возникновение температурных усилий в трубах и корпусе (кожухе) при различных температурах их направления и может привести к нарушению развальцовки труб в решетках, продольному изгибу труб и другим неблагоприятным явлениям.
В случае если трубы нагреваются сильнее, чем кожух, они становятся длиннее кожуха и давят на трубные решетки, стремясь удлинить и сам корпус (кожух). Если напряжения, возникающие при этом в материале трубок и кожуха, превышают допустимые, то появляется необходимость установки компенсирующего устройства (линзы, плавающей головки и т.п.).
По данным [1 табл.1.7] допускаемая разность температур кожуха и труб (не требующая установки компенсирующего устройства) при давлении Рy 1,6 МПа составляет 60 оС.
Для рассматриваемого теплообменного аппарата температура стенки трубок
0С.
(см. подраздел 1.7), а минимальная температура кожуха может быть принята равной температуре пара, т.е. tст (к) = 133 оС.
Разность температур кожуха и трубок
0С,
следовательно, установка компенсирующего устройства не требуется.
2.7 Опоры аппарата
Химические аппараты устанавливают на фундаменты или специальные несущие конструкции при помощи опор. Тип опоры выбирают в зависимости от конструкции оборудования, нагрузки и способа установки. При установке вертикальных аппаратов широко применяются лапы на полу или на фундаментах. При наличии нижних опор аппарат устанавливают на три или четыре точки, при подвеске между перекрытиями – на три лапы и более.
Расчетную нагрузку, воспринимаемую опорой аппарата, определяют по максимальной силе тяжести его в условиях эксплуатации или гидравлического испытания (при заполнении аппарата водой) с учетом возможных дополнительных внешних нагрузок от силы тяжести трубопроводов, арматуры и т. д. Вес аппарата (с жидкостью) делится на число «лап», и по допустимой нагрузке на опору выбирают ее основные размеры по [1, табл. 2.13].
Принимаем число лап равным 3, а допустимую нагрузку равную 4000 Н.По [1, табл. 2.13] выбираем основные размеры опор вертикального аппарата при допустимой нагрузке 4000 Н: a=75 мм, a1=95 мм, b=95 мм, с=20 мм, c1=50 мм, h=140 мм, h1=10 мм, S1=5 мм, k=15 мм, k1=25 мм, d=12 мм.
Рис. 12 Опора вертикального аппарата
3. Гидравлический расчет
Цель гидравлического расчета – определение величины сопротивлений различных участков трубопроводов и теплообменника и подбор насоса, обеспечивающего заданную подачу и рассчитанный напор при перекачке воды.
Теплоносители должны подаваться в теплообменный аппарат под некоторым избыточным давлением для того, чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление аппарата и системы технологических трубопроводов за аппаратом, переместить теплоноситель из одной точки пространства в другую (например, поднять его) и иметь возможность сообщить ему дополнительную скорость. При этом теплоноситель должен обладать достаточной энергией в заданной точке технологической схемы.
Потери энергии жидкостью и газами при их движении, обусловленные внутренним трением, определяют величину гидравлического сопротиления [1, с. 79].
3.1 Расчет гидравлических сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в них
Теплообменные аппараты включаются в трубопроводы, входящие в состав насосных установок, образующих технологические схемы различных пищевых или химических отраслей промышленности. Расчету принадлежит схема насосной установки, предлагаемая в задании на проектировании.
Различают два вида гидравлических сопротивлений (потерь напора): сопротивление трения и местные сопротивления: и . Для расчета потерь напора по длине пользуются формулой Дарси-Вейсбаха [2]:
,
где — гидравлический коэффициент трения;
— длина трубопровода, по которому протекает теплоноситель, м;
d– диаметр трубопровода, м;
— скоростной напор, м.
Для расчета потерь напора в местных сопротивлениях применяют формулу Вейсбаха:
,
где — коэффициент местных сопротивлений;
— скоростной напор за местным сопротивлением.
3.1.1 Разбивка трубопровода насосной установки на участки:
Гидравлическому расчету подлежит схема, представленная на рис. 12.
Рис. 12 – Схема насосной установки
1 –емкость; 2 – насос; 3 – теплообменник; 5 – стерилизуемый аппарат.
Трубопровод состоит из всасывающей и напорной линий. Всасывающая линия – трубопровод от нижней части емкости до насоса. Напорная линия – участок трубопровода от насоса до теплообменника, теплообменник 3, участок от теплообменника 3 до стерилизуемого аппарата 4.
3.1.2 Определение геометрических характеристик участков трубопровода, скоростей и режимов движения в них теплоносителя
Диаметры всасывающего и напорного трубопроводов определим из уравнения расхода (12), принимая по [1, табл. 1.4] скорость во всасывающем трубопроводе м/с, а в напорном – м/с.
м.
По ГОСТ 8732-78 [4, таб. 2.34] выбираем трубу для всасывающего трубопровода диаметром 70 мм.
Скорость движения воды на всасывающем участке трубопровода:
м/с,
а режим движения
– турбулентный, так как Re>104 [6, с.43].
где м2/с – кинематический коэффициент вязкости при t=140С.
м
По ГОСТ 8732-78 [4, таб. 2.34] выбираем трубу для напорного трубопровода диаметром 50 мм.
Скорость движения воды на напорном участке трубопровода
м/с.
Режим движения воды на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника
– турбулентный, так как Re>104 [6, с. 43].
Режим движения воды на напорном замкнутом участке трубопровода, включающего теплообменник и стерилизуемый аппарат.
— турбулентный, так как Re>104,
где м2/с — кинематическая вязкость воды при t= 92°С
3.1.3 Расчет сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в них
Всасывающий участок трубопровода
При турбулентном режиме движения гидравлический коэффициент трения может зависеть и от числа Рейнольдса, и от величины шероховатости трубы.
Рассчитаем гидравлический коэффициент трения для гидравлически гладких труб по формуле Блазиуса:
. (14)
.
Проверим трубу на шероховатость, рассчитав толщину вязкого подслоя и сравнив ее с величиной абсолютной шероховатости стальной бесшовной новой трубы: ,
м,
, значит, труба гидравлически гладкая и . На всех остальных участках трубопровода будем считать трубы гидравлически гладкими.
По формуле Дарси-Вейсбаха
, (15)
м.
Согласно схеме насосной установки (рис. 12) на всасывающей линии имеются следующие местные сопротивления: два плавных поворота на 90– ,[1, табл. 3.3]. Следовательно, , а по формуле Вейсбаха:
, (16)
где – коэффициент местных сопротивлений;
– скоростной напор за местным сопротивлением.
м.
Суммарные потери напора на всасывающем участке трубопровода:
м.
продолжение
--PAGE_BREAK--