Тепловой конструкторский расчет теплообменного аппарата

 

СОДЕРЖАНИЕ                                                                                                стр

 

 

 

                         Содержание                                                                                                            2                 

Введение                                                                                                                 3

1. Тепловой конструкторский расчет  теплообменного аппарата                       4

2. Гидравлический  расчет                                                                                    12

3. Прочностной расчет теплообменного  аппарата                                             16

3.1. Расчет толщины стенки                                                                        16

3.2. Расчет толщины эллиптического  днища                                                      17

3.3. Расчет трубной решетки                                                                                17

Заключение                                                                                                             24

Библиографический список                                                                                  25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

 

Кожухотрубный теплообменный аппарат предназначен для непрерывных технологических процессов. Аппарат данного типа может работать с тепло-носителями: жидкость-жидкость, жидкость-газ, газ-газ. Представляет собой устройство, выполненное из нескольких рядов труб, собранных при помощи трубных решеток в пучок и установленных в кожухе цилиндрической формы, закрытого с обеих сторон специальными отводами.

Концы труб могут крепиться различными способами: развальцовкой, сваркой, пайкой, герметичными сальниковыми уплотнителями.

Температуры греющего и нагреваемого теплоносителей различны, поэтому возникают напряжения в конструкции, что приводит к деформациям элементов теплообменника. Для компенсации этих напряжений и деформации применяют различные компенсаторы (линзовые), трубы выполняют U- или W-образные, теплообменники изготавливают с плавающими камерами  и сальниковыми уплотнителями.

В соответствии с заданием в курсовой работе произведем расчет аппарата с теплоносителями жидкость-жидкость. В качестве греющего теплоносителя является конденсат пара, в качестве нагреваемого теплоносителя является вода. Концы трубки в трубной решетки закрепим развольцовкой.

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕПЛОВОЙ КОНСТРУКТОРСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

 

 

 

Для выполнения теплового конструкторского расчета водо-водяного теплообменного аппарата примем давление греющего (вода) и нагреваемого (вода) теплоносителей равным 0,5 МПа.

Рассчитаем средние температуры теплоносителей:

средняя температура греющей воды

  ;                                                                                            (1.1)

Подставив значения, получим:

средняя температура нагревающей воды

                                                                                                                                    (1.2)

Подставив значения, получим:

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По этим температурам по таблице 1 определим для каждого теплоносителя коэффициент теплопроводности и , плотность и , коэффициент кинематической вязкости и , теплоемкость воды св  и ск.

При : , , , .

При : , , , .

Из уравнения теплового баланса

                                                (1.3)

  определим количество теплоты , воспринимаемое нагреваемой водой

                                                                                        (1.4)

Тогда, подставляя значения, получим:

.

и массовый расход греющего теплоносителя приняв коэффициент , учитывающий потери теплоты в окружающую среду равным 0,95-0,99

;                                                                                      (1.5)

Тогда:

Для определения количества трубок зададимся скоростью движения воды в трубках и определим режим течения воды в трубках

;                                                                                                  (1.6)

Согласно ГОСТ 21646-76 выбираем трубку диаметром с толщиной стенки .

 

 

 

 

Подставим значения:

,

где - внутренний диаметр трубок, м;

-коэффициент кинематической вязкости воды, м²/с.

Для заданной схемы движения теплоносителей (вода движется внутри трубок) и заданного наружного диаметра трубок определим общее число трубок одного хода подогревателя:

,                                                                                          (1.7)

где - плотность воды при , кг/м³.

Подставим значения:

.

При заданном расположении трубок в трубной решетке определим по    таблице 2 действительное значение числа трубок и относительный диаметр трубной решетки D’/S=8.

Определим диаметр трубной решетки

.                                                                                                   (1.8)

Тогда:

,

где S=1,2d=30мм

Определим внутренний диаметр корпуса

,                                                                                           (1.9)

где k – кольцевой зазор между крайними трубками и кожухом принимается из конструктивных соображений, но не менее 6 мм.

Подставляя значения, получаем:

,

 

 

 

Рассчитанное значение внутреннего диаметра корпуса округляем до ближайшего стандартного размера D=300мм.

При расположении труб по вершинам равностороннего треугольника число шестиугольников для размещения труб равно

                                                                                        (1.10)

Подставляя значения, получаем:

                                   .

Число труб по диагонали наибольшего шестиугольника составит

                                                                                               (1.11)

Тогда:

                                .

Общее число труб в шестиугольниках

                                                                       (1.12)

     Для определения                                                                      

коэффициента теплопередачи определим предварительно коэффициенты теплоотдачи с разных сторон трубки.

По ранее определенному режиму течения воды внутри трубок (турбулентный режим) найдем критерий Нуссельта по формуле

,                                                                           (1.13)

где  Pr – число Прандтля для воды определяемое по таблице 1 в зависимости от температуры;

ε1 – поправочный коэффициент, при соотношении  длины трубок к их диаметру l/d>50, ε1=1.

Тогда:

 

 

 

 

 

Из критериального уравнения Нуссельта определим коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки трубок к воде

,                                                                                               (1.14)

Подставим значения:

Найдем скорость движения воды в межтрубном пространстве.

Для этого рассчитаем площадь межтрубного пространства и площадь, занятую трубами.

Площадь поперечного сечения корпуса с D=0,3м

                                                                                                   (1.15)

Тогда:

.

Площадь занятая трубами:

                                                                                                (1.16)

Подставим значения:

.

Площадь в межтрубном пространстве:

                                                                                                   (1.17)

Тогда:

.

Скорость воды в межтрубном пространстве:

;                                                                                                  (1.18)

 

 

 

Тогда:

.

Для определения коэффициента теплоотдачи от греющей воды к трубкам найдем число Рейнольдса

,                                                                                               (1.19)

где dэ – эквивалентный диаметр, м, рассчитываем по формуле

;                                                                                                    (1.20)

                                                                                          (1.21)

Подставим значения в формулы (1.19), (1.20), (1.21):

.

.

.

Число Рейнольдса соответствует турбулентному режиму течения воды. Критерий Нуссельта определим по формуле

,                                                                            (1.22)

где Pr – число Прандтля для воды определяемое по таблице 1 в зависимости от температуры;

εl – поправочный коэффициент, при соотношении длины трубок к их диаметру l/d>50, εl=1;

Подставим значения в формулу:

.

Тогда коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке трубок:

,                                                                                               (1.23)

 

 

Подставим значения в формулу:

Коэффициент теплопередачи через стенку трубки вычисляем по формуле

,                                   (1.24)          

  где  – средний диаметр трубки, м;

- теплопроводность материала трубок, Вт/(м°С);

- термическое сопротивление загрязнения  трубок.

                                                                                  (1.25)             

Подставим данные в формулу (1.25):

Подставим значения в формулу (1.24):

Поверхность нагрева подогревателя:

,                                                                                                 (1.26)

где - средняя логарифмическая разность температур (температурный напор) определяемый по формуле для различных схем движения теплоносителей прямоток или противоток

Тогда площадь поверхности нагрева:

 

 

 

 

Длина трубок

;                                                                                               (1.27)

Тогда:

.

Так как величина длины трубок L оказалась больше рекомендуемой длины прямого участка, устанавливаемой из условия расчета тонких сосудов находящихся под давлением (не более 6 м), то устанавливаем два теплообменников длиной 5,2 м.

Для расчета диаметров штуцеров аппарата принимаем скорость воды в штуцере нагреваемой воды и в штуцере греющей воды

Получим:

;                                                                                                  (1.28)

Тогда:

                                                                                              (1.29)

Тогда:

Принимаем диаметры штуцеров

 

 

 

 

 

2 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

 

 

Данный расчет определяет мощность, затрачиваемую на обеспечение движения теплоносителей через аппарат.

Полный напор ∆Р, необходимый для движения жидкости или газа через теплообменник, определим по формуле, Па

,                                                                   (2.1)

где - сумма гидравлических потерь на трение, Па;

- сумма потерь напора в местных  сопротивлениях, Па;

- сумма потерь напора, обусловленных  ускорением потока, Па;

- перепад давления для преодоления  гидростатического столба жидкости, Па.

Гидравлические потери на трение в каналах при продольном омывании пучка труб теплообменного аппарата определим по формуле, Па

,                                                                                   (2.2)

где - коэффициент сопротивления трения;

- суммарная длина трубок, м;

- эквивалентный диаметр, равный внутреннему диаметру трубок, м;

- плотность воды, кг/м3;

- средняя скорость воды на  данном участке, м/с.

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент сопротивления трения для чистых трубок можно рассчитать по формуле:

                                                                                    (2.3)

греющий теплоноситель

Подставим полученные результаты в формулу (2.2):

нагреваемый теплоноситель

Подставим полученные результаты в формулу (2.2):

Гидравлические потери давления, Па, в местных сопротивлениях определим по формуле:

                                                                                            (2.4)

нагреваемый теплоноситель:

греющий теплоноситель:

найдем среднее число рядов трубок m, омываемых поперечным потоком теплоносителя, равное нечетному числу трубок, размещаемых на диаметре теплообменника:

                                                                                                   (2.5)

 

 

 

 

Тогда:

Полученное значение округляем до ближайшего нечетного числа m=9, коэффициент сопротивления для пучка труб при поперечном омывании

                                                                                  (2.6)

Тогда:

Подставим полученные результаты в формулу (2.4):

Потери давления, Па, обусловленные ускорением потока вследствие изменения объема теплоносителя при постоянном сечении канала, определим по формуле:

                                                                                        (2.7)

где и - скорости теплоносителя во входном и выходном сечениях потока соответственно, м/с;

 и  - плотности теплоносителя во входном и выходном сечениях потока соответственно, кг/м3.

нагреваемый теплоноситель:

греющий теплоноситель:

Перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости равен нулю ( ), так как данный подогреватель не сообщается с окружающей средой.

 

 

 

 

 

Полный напор, необходимый для движения воды через аппарат:

греющий теплоноситель:

Нагреваемый теплоноситель:

Мощность, необходимая для перемещения воды через подогреватель

,                                                                                                  (2.8)

где G –объемный расход воды, м3/с;

- коэффициент полезного действия  насоса.

Тогда:

греющий теплоноситель:

нагреваемый теплоноситель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

 

 

 

Механический расчет предполагает расчет основных узлов и деталей аппарата на прочность. Конструкция и элементы аппаратов рассчитываются на наибольшее допускаемое рабочее давление с учетом возможных температурных напряжений, особенностей технологии изготовления деталей, агрессивности действия рабочей среды и особенностей эксплуатации.

 

3.1 РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ КОЖУХА

 

Толщина обечайки рассчитываем по формуле:

,                                                                                   (3.1)

где Рп – рабочее давление теплоносителя, МП/м2;

Dа.вн – внутренний диаметр корпуса, м;

φ1 – коэффициент прочности сварного шва, равный φ1=0,9;

- номинальное допустимое напряжение, МПа, принимаем в зависимости  от марки стали и температуры стенки;

С – поправка на коррозию, равна 1-5 мм в зависимости от скорости коррозии материала обечайки, м;

                          Подставим значения:

.

Принимаем толщину обечайки кожуха теплообменного аппарата , для электросварных прямошовных труб диаметром Dу=300 мм (Dн=325 мм).

 

 

 

3.2 РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ДНИЩА

 

 

Исходя из условий технологичности изготовления толщину стенки днища, имеющего отверстие, определяем по выражению, м:

,                                                                         (3.2)

где - коэффициент неукреплённого отверстия;

 d – наибольший диаметр неукреплённого отверстия, м;

hвып – высота выпуклой части днища, м.

Подставим значения:

Подставим значения в формулу (3.2):

Принимаем толщину стенки днища из условия технологичности изготовления .

 

                          3.3 РАСЧЕТ ТРУБНОЙ РЕШЕТКИ

 

 

Расчетное давление, МПа, при расчете трубной решетки выбираем по

большему из трех следующих значений:

;

                                                                      (3.3)

,

где Рм, Рт – давления в межтрубном и трубном пространствах соответственно, МПа;

, - пробное давление при гидравлическом испытании в межтрубном пространстве и в трубах, МПа;

- отношение жесткости трубок  к жесткости кожуха;

- расчетный температурный коэффициент;

к – модуль упругости системы трубок. МПа/м;

l – расчетная длина корпуса, равная длине труб, м;

- коэффициент перфорации.

Коэффициент, выражающий отношение жесткости трубок к жесткости кожуха, находим по формуле

,                                                                                                   (3.4)

где Ет, Ек – модули упругости материала трубок и кожуха (для латуни ; для стали  );

Fm, Fk – площади сечение стенок трубок и кожуха, м2, рассчитываем по формуле:

,                                                                      (3.5)        

                              где п – количество трубок, шт.;

dвн, dнар – внутренний и наружный диаметры трубок, м.

Тогда:

.

Площадь сечения стенок кожуха, м2:

.                                                                  (3.6)

Тогда :

.

Подставим полученные значения в формулу (3.4)

.

Расчетный температурный коэффициент находим по формуле:

,                                                                                          (3.7)

где tm, tк – температуры трубок и кожуха, °С;

, - коэффициенты линейного удлинения трубок и кожуха соответственно (для стали , для латуни ).

Температуру кожуха принимают на 1-5% ниже средней температуры греющего теплоносителя tк.ср

.                                                                                      (3.8)

Получим:

.

Температура трубок:

.                                                                                        (3.9)

Тогда:

.

Расчетный температурный коэффициент:

.

                              Модуль упругости системы трубок, МПа/м, рассчитываем по формуле:

,                                                                                              (3.10)

где - длина трубок, м;

- внутренний радиус корпуса, м.

Подставим значения:

,

Коэффициент перфорации определяют по формуле

.                                                                                         (3.11)

Получаем:

.

Тогда расчетные давления, МПа, будут найдены по формулам:      ;

.

Принимаем расчетное давление Рр=0,792МПа. Толщину трубной решетки рассчитывают:

.                                                                              (3.12)

Тогда:

.

Принимаем толщину трубной решетки . Изгибающий момент, распределенный по контуру решетки:

 

                        ,                                                            (3.13)

где - коэффициент системы «решетка-трубки», 1/м;

Ф1, Ф2, Ф3, выбираются в зависимости от безразмерного параметра ;                                                                                                     (3.14)

Т и - вспомогательные коэффициенты.

Коэффициент системы «решетки-трубки», 1/м

,                                                                                                    (3.15)

где - жесткость трубной решетки при изгибе, ,

,                                                                                         (3.16)

здесь - модуль упругости материала решетки;

;                                                                                (3.17)

;                                                                                              (3.18)

,                                                                               (3.19)

где и - коэффициенты жесткости трубной и перфорированной решеток;

- расчетный коэффициент перфорации.

Подставляя полученные значения в формулы (3.14 – 3.19), получим:

;

;

;

                             ;

;

.                                                                             

Значения коэффициентов: Ф1=2,62; Ф2=1,07; Ф3=2,53. Вспомогательные коэффициенты:

;                                                       (3.20)

,                                                                                                 (3.21)

где - толщина полки фланца, м.

Коэффициент податливости системы «кожух-решетка»

.                                                                                                (3.22)

Тогда:

.

Жесткость фланцевого соединения

,                                           (3.23)

где b=0,024м – ширина полки фланца; - расстояние от центра тяжести сечения фланца до оси аппарата, м;

Подставим значения в формулы (3.20 – 3.23):

,