Расчет кожухотрубчатого теплообменника

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА.docx

Задание на курсовое проектирование3
Описание технологической схемы3
Технологический расчет аппарата13
1. Тепловой расчет аппарата13
2. Гидравлический расчет аппарата21
Механический расчет аппарата26
Расчет тепловой изоляции аппарата3
Расчет вспомогательного змеевикового теплообменника32
Подбор насосов по гидравлическому сопротивлению40
1 Гидравлический расчет для трубопроводов с водой40
2 Гидравлический расчет для трубопроводов с раствором CaCl242
3 Гидравлический расчет змеевика44
Техника безопасности3
Список использованной литературы3
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Спроектировать горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник для конденсации D = 12 кгс перегретого водяного пара с температурой tпп = 125 оС и давлением P = 01 МПа. Охлаждающая жидкость (вода) поступает в трубки с начальной температурой tн = 15 оС.
Рассчитать и эскизно разработать змеевиковый теплообменник для охлаждения конденсата от начальной температуры на 5оС ниже температуры насыщения tнас при давлении P до конечной tнас– 10 15 оС 25%-м раствором CaCl2.
Конденсация – это процесс сжижения пара или газа; он широко применяется в технике пищевой промышленности для различных целей: создания разрежения в выпарных аппаратах; использования теплоты конденсации для нагревания жидкостей; для разделения систем состоящих из компонентов с различными температурами сжижения в холодильных сушильных установках и т.д.
Различают поверхностные конденсаторы и конденсаторы смешения.
Поверхностные конденсаторы применяются в случае когда конденсат надо сохранить в чистом виде; эти конденсаторы представляют собой поверхностные теплообменники с некоторыми специфичными деталями устройство которых обусловлено в основном способом охлаждения паров. Хладоносителем обычно является вода или воздух.
К конденсаторам смешения относятся прямоточные или противоточные смешивающие конденсаторы.
В этих конденсаторах паровой поток соприкасается с охлаждающей водой; получается конденсат в смеси с этой водой.
Теплообменниками называются аппараты в которых происходит теплообмен между рабочими средствами независимо от их технологического или энергетического назначения.
Классификация теплообменников возможна по различным признакам.
По способу передачи тепла различаются теплообменники:
- смешения в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются;
- поверхностные теплообменники – рекуператоры в которых тепло передается через поверхность нагрева – твердую стенку разделяющую эти среды.
По основному назначению различаются:
В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:
- жидкостно-жидкостные – при теплообмене между двумя жидкими средами;
- парожидкостные – теплообмен между паром и жидкостью;
- газожидкостные – теплообмен между газом и жидкостью.
Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники различных конструкций.
Кожухотрубные теплообменники.
Многотрубный теплообменник представляет собой пучок трубок помещенных в цилиндрическую камеру (кожух). Таким образом внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки вальцованы в трубные решетки ограничивающие камеру с обеих сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для впуска рабочей жидкости протекающей внутри трубок. Камера также снабжена патрубками для отвода и подвода второго рабочего тела.
Трубки латунные медные или стальные применяются диаметром выше 10 мм.
Трубные решетки могут быть наглухо приварены или приклепаны к корпусу одна из решеток может быть не соединена с камерой.
Кожух теплообменника стальной цилиндрический. Иногда для обеспечения свободы температурного расширения кожуха и трубок на кожухе устраивают компенсатор.
В первую очередь улучшение трубчатых теплообменников достигается путем собирания труб в отдельные ходы. Для этого в распределительные коробки устанавливают перегородки.
Конструкцию теплообменника следует выбирать исходя из основных требований предъявляемых к теплообменным аппаратам:
- соответствие аппарата технологическому процессу обработки продукта;
- высокая эффективность и экономичность работы аппарата связанные с повышением интенсивности теплообмена и одновременно с соблюдением оптимальных гидравлических сопротивлений аппарата;
компактность малая масса простота конструкции удобство монтажа и ремонта аппарата.
ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Из водоема пресная вода с температурой 15оС поступает в центробежный насос и через проходной вентиль проходит в трубное пространство кожухотрубчатого горизонтального конденсатора. Вода проходя в трубном пространстве охлаждает водяной пар проходящий по межтрубному пространству от t = 125оС до 99оС затем вода выходит из кожухотрубчатого конденсатора через проходной вентиль и поступает в охладитель где охлаждается от 99оС до 25оС и сбрасывается в водоем.
Водяной пар поступающий в межтрубное пространство кожухотрубчатого горизонтального конденсатора через вентиль охлаждаются водой до температуры конденсации 70оС выходит конденсат из него и через проходной вентиль поступает в межтрубное пространство дополнительного змеевиковидного теплообменника где охлаждается еще до 25оС.
Охлажденный раствор 25%-ный CaCl2 поступает через центробежный насос в трубу змеевика где охлаждает конденсат водяного пара до 25оС а сам забирая это тепло нагревается от 10оС до 20оС выходит из трубы змеевика проходит вентиль и поступает в испаритель холодильной машины где отдает тепло при этом остывая до 10оС.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА
1. Тепловой расчет аппарата
Находим тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями:
где D – расход водяного пара при 125оС;
При Р = 01 МПа tнас= 99оС (табличные данные таблица ХLVIII [1]).
Расход воды определяем из уравнения теплового баланса:
где Св – удельная теплоемкость воды при ее средней температуре;
Св = 4187 Дж(кг*град) (табличные данные таблица ХХХIХ [1]).
При изменении агрегатного состояния теплоносителя его температура остается постоянной вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре конденсации.
В аппаратах с противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как средняя логарифмическая величина:
В данном случае водяной пар целесообразно направить в межтрубное пространство а охлаждающую жидкость в трубки.
Из таблицы 2.1 коэффициент теплоотдачи (К) изменяется от 800 до 3500 Вт(м2*К) поэтому принимаем Кср = 800 Вт(м2*К).
Из основного уравнения теплопередачи ориентировочное значение поверхности теплообменника:
где Q – тепловая нагрузка на аппарат Вт;
К – коэффициент теплопередачи Вт(м2*К);
Δtср – средняя разность температур 0С.
Задаваясь числом Re = 500 определяем для теплообменника из труб диаметром dn = 25х2 мм.
где n– общее число труб;
z– число ходов по трубному пространству;
d– внутренний диаметр труб м;
в – динамическая вязкость при tср = 1049оС.
По таблице 2.3 [2] выбираем несколько теплообменников с подходящей поверхностью теплопередачи и имеющих отношение близким к 260.
D = 600 мм dн = 25х2 z = 1 = = 257;
D = 1000 мм dн = 20х2 z = 4 = = 268;
D = 800 мм dн = 20х2 z = 2 = = 445.
Расчет коэффициента теплопередачи К
Выполняем для стационарных условий теплообмена когда тепловые потоки от конденсирующего пара к стенке и от стенки к нагреваемой жидкости равны:
Так как коэффициенты α1 и α2 определяют интенсивность теплообменника между теплоносителем и стенкой зависит от неизвестных температур стенки tст.1 и tст.2 они определяются методом последовательных приближений.
Рисунок 1- Распределение температур на стенке трубки в процессе теплопередачи.
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:
Для вычисления коэффициента теплоотдачи от горячей стенки к воде α2 задаемся t2 = 10оС.
где Gв – расход охлаждающей воды кгс;
d – внутренний диаметр труб м;
в – коэффициент динамической вязкости мПа*с.
св – удельная теплоемкость воды Дж(кг*град);
в – коэффициент динамической вязкости мПа*с;
λв – коэффициент удельной теплопроводности воды Вт(м*град).
где d – внутренний диаметр труб м;
ρв – плотность воды кгм3;
- коэффициент объемного расширения воды при 1049 оС К-1 (=75*10-4).
В соответствии с формулой 6 [2] коэффициент теплоотдачи к воде движущейся по трубам горизонтального теплообменника равен:
где С – опытный коэффициент в горизонтальных трубках.
λ – коэффициент удельной теплопроводности Вт(м*град);
Nu – критерий Нуссельта.
Сумма технических сопротивлений стенки из труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны воды и водяного пара табл. 2.2[2]:
Перепад температур на стенке определяется из условия установившегося процесса теплопередачи:
где a2 - коэффициент теплоотдачи Вт(м2*К);
λ – сумма технических сопротивлений м2*КВт.
Коэффициент теплопередачи пара конденсирующего на пучке горизонтально расположенных труб определяется по формуле:
где ρк – плотность конденсата при температуре конденсации 99оС;
λк – теплопроводность конденсата;
к – динамическая вязкость;
(i2-i1) – удельная теплота конденсации.
Проверяем правильность решения по равенству удельных тепловых нагрузок:
g1 g2 - расхождение между тепловыми нагрузками превышает 3-4%.
Для повторного приближения примем Δt2 = 30 0С. Тогда получим:
g1 g2 - расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 2%.
Требуемая поверхность теплообмена:
Из таблицы 2.3[2] следует что нам подходит теплообменник с трубами длиной L= 20 м и номинальной поверхностью Fн = 69 м2 при этом запас:
По таблице 2.4 [2] масса теплообменника m1 = 2750 кг.
Аналогичный расчет дает следующие результаты:
g1 g2 - расхождение между тепловыми нагрузками не превышает 1%.
2. Гидравлический расчет аппарата
Гидравлический расчет аппарата необходим для определения затрат энергии на перемещение жидкости и газов и подбор насосов и вентиляторов. Гидравлическое сопротивление обусловлено сопротивлением трения и местными сопротивлениями возникающими при изменениях скорости потока.
Скорость воды в трубах определяем по формуле:
Расчет коэффициента трения:
где 64 – коэффициент зависящий от формы сечения трубопровода.
Скорость воды в штуцерах:
где dш - диаметр штуцера в распределительной камере (dш = 025 табл. 2.5 [2]).
В трубном пространстве имеют место следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее вход в трубки и выход из них:
где тр.ш - скорость жидкости в штуцерах мс.
Скорость пара в штуцере на входе в межтрубное пространство:
где GA – расход перегретого водяного пара кгс;
dш.1 = 025м – диаметр штуцера на входе в межтрубное пространство (таблица 2.5 [2]);
ρ = 0579 кгм3 – плотность насыщенного пара при давлении 01 МПа (таблица XLVIII [1]).
Скорость конденсата в штуцере на выходе:
где dш2 - диаметр штуцера на выходе (dш2 = 025 табл. 2.5[2]).
Скорость конденсата в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью Sм. тр.=007 м2 (таблица 2.3 [2]).
где ρк – плотность конденсата кгм3.
Число рядов труб омываемых конденсатом в межтрубном пространстве (при разделении труб по вершинам равносторонних треугольников):
где n – общее число труб в теплообменнике.
число сегментных перегородок х = 4 (таблица 2.6[2]).
В межтрубном пространстве имеют место следующие межтрубные сопротивления: вход пара и выход конденсата через штуцера 7 поворотов через сегментные перегородки и 9 сопротивлений трубного пучка при его поперечном обтекании (х+1).
МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА
Толщина стенки обечайки:
где [] – допустимое напряжение мПа; для стали Х18М10Т [] = 140 мПа;
Dв – внутренний диаметр корпуса аппарата м;
ρ – внутреннее давление в корпусе мПа;
φ – коэффициент прочности сварного шва;
С – прибавка к расчетной толщине стенки учитывая коррозию и т.д.
толщину стенки равной 0002 м.
Толщину стенки для крышки определяем по формуле:
где R – радиус кривизны в вершине;
h – высота выпуклой части наружной поверхности крышки не менее
*Dв = 02*06 = 012 м.
Принимаем толщину стенки крышки равной 0003 м.
Расчет болтов фланцевого соединения крышек аппарата:
где Z– число болтов на фланце (принимаем кратным 4 в данном случае 16 болтов);
N – общая сила нормального давления на прокладку;
Q – усилие отрывающее крышку от фланца.
N = * (Dн2 – Dв2)*у 4 где
Dн – наружный диаметр прокладки;
Dв – внутренний диаметр прокладки;
у – удельное давление на прокладку для твердой резины у = 35 мПа.
Fкр – площадь проекции внутренней поверхности крышки на поперечное сечение аппарата ограниченной внутренней окружностью прокладки диаметром Dв т.е.
Q = 01*028 = 0028 МН;
N = (314*(0452 – 042)*35)4 = 0117 МН;
Ро = (0117 + 0028)16 = 0009 МН.
Уравнение прочности болта:
где – напряжение возникающее в сечении болта МПа;
fб – площадь поперечного сечения болта м2;
[т] – предел текучести материала болта при действующей температуре МПа;
([т] =240 МПа для стали 3).
Диаметр резьбы болта:
По найденному внутреннему диаметру резьбы подбираем ближайший стандартный болт: dв = 10 мм (ГОСТ 7798-70) [3].
а – расстояние от центра болтового отверстия до стенки трубы м (конструктивно принимаем а = 0022 м);
z – число болтов на фланце (в данном случае 16);
Dф – диаметр окружности сопряжения трубы с фланцем м (Dф = 0406 м);
С – конструктивная прибавка (С = 0003÷0006);
[н] – допустимые напряжения на изгиб мПа (для стали Х18ИIOI
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ АППАРАТА
Наружная поверхность теплообменника для уменьшения тепловых потерь создания безопасных условий труда обслуживающего персонала и защиты поверхности от коррозии покрывается изоляцией.
Температура на поверхности аппарата должна быть не более 40÷50оС т.к. у нас конденсатор и температура его поверхности около 30оС то толщину тепловой изоляции рассчитывать не имеет смысла.
Для защиты аппарата от коррозии покрываем его краской.
РАСЧЕТ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ЗМЕЕВИКОВОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
Змеевиковый теплообменник погружного типа имеет змеевик погруженный в сосуд в котором циркулирует жидкий теплоноситель. Продукт подвергаемый охлаждению проходит по змеевику.
Диаметр витка Dв = 022 м (выбираем конструктивно).
Расстояние между витками:
h = 15*0045 = 00675 м.
Диаметр трубы змеевика:
d = 0045*0002=000009 м.
Тепловой расчет змеевикового теплообменника:
где Ск – средняя удельная теплоемкость воды (таблица ХХV1 [1]).
Расход раствора СаСl2:
где Ср – удельная теплоемкость раствора СаС
Ср = 2975 ДжкгК (рисунок ХI [1] при t = 15оС).
Из таблицы 2.1 [2] коэффициент теплопередачи изменяется от 800 до 3500 Втм2К поэтому примем К = 800 Втм2К.
Вычисляем коэффициент теплопередачи от горячей стенки к раствору СаСl2:
ρр –плотность 25% раствора СаС
ρр = 1230 кгм3 (таблица LI [1]).
где р – динамический коэффициент вязкости 25% раствора СаСl2 при t = 15оС (таблица IX [1]).
где λр – коэффициент теплопроводности (рисунок Х[1]);
Nu = 008*Rе09 *Рr043 (34)
Nu = 008*363009 *17043 = 4325
α2 = *4325 = 51409 Втм2*К
α2зм. = α2*(1+354*) (36)
α2зм. = 51409*(1+354*) = 88633 Втм2*К
где Fа – площадь поперечного сечения аппарата:
Fзм – приблизительная площадь поперечного сечения трубы змеевика:
Fэ = 0126 - 00016 = 0124м2;
ρк – плотность водяного конденсата при средней температуре 25оС
(ρк = 996 кгм2 таблица LVII [1]);
где λк – коэффициент теплопроводности водяного конденсата (λк=0599 таблица ХХIX [1]);
к – коэффициент динамической вязкости (таблица IХ[1]);
Требуемая поверхность:
Параметры змеевикового теплообменника:
Общая высота змеевика:
Диаметры патрубков змеевика зависят от расхода и скорости теплоносителей.
Диаметры патрубков для водяного конденсата:
Параметры патрубков штуцеров для раствора СаСl2 25%:
ПОДБОР НАСОСОВ ПО ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ СОПРОТИВЛЕНИЮ
1 Гидравлический расчет для трубопроводов с водой
где Ртр. б. – гидравлическое сопротивление трубопроводов;
РА – гидравлическое сопротивление РА = 20 Па.
Ртр. б. = Рск+Ртр+Рмс (50)
где Ртр – потери давления на трение в трубах;
Рск – затрата давления на создание скорости потока;
Рмс – потери давления на преодоление местных сопротивлений.
λ – коэффициент трения в шероховатых трубах;
L – длина трубопровода (задаем L=15 м).
где – коэффициент местного сопротивления;
– колено 900 стандартный чугунный;
– вентиль прямоточный;
– врезанное сужение;
– врезанное расширение.
Объемный расход воды:
Походит центробежный насос ГОСТ 22247-86 К818.
2 Гидравлический расчет для трубопроводов с раствором CaCl2
Роб=Рзм+Ртр. б. (58)
Рзм – гидравлическое сопротивление змеевика.
Ртр. б. = Рск+Ртр+Рмс (59)
следовательно λ=149.
3 Гидравлический расчет змеевика
ΔРзм = ΔРск+ΔРтр+ΔРмс (67)
следовательно λ=165.
где =028 – врезанное расширение;
=025 – врезанное сужение.
По выбранным данным выбираем химический насос Х340 ГОСТ 24578-81.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
При эксплуатации теплообменных аппаратов следует руководствоваться «Правилами устройства и безопасности эксплуатации сосудов работающих под давлением». На каждый аппарат заводятся специальные книги для регистрации результатов испытаний и освидетельствований.
Руководство предприятия обязано провести необходимые организованно технические мероприятия по созданию безопасных условий труда а также утвердить инструкции по технике безопасности для каждого рабочего места.
Обслуживающий персонал должен хорошо изучит устройство аппарата технологический режим назначение и расположение трубопроводов инструкцию по технике безопасности.
Категорически запрещается повышать давление и температуру в аппаратах и трубопроводах сверх допустимых пределов.
Необходимо следить за плотность фланцевых соединений и неисправностью ограждений у движущихся деталей. Смазка движущихся деталей и набивка сальников на ходу не разрешается.
Для затяжки болтов не разрешается применять гаечные ключи у которых зев больше размера головки болта или гайки.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А.
Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузовПод ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. – 10-е изд. перераб. и доп.- Л: Химия 1987.-576 с. ил.
Ершов А.М. Калинин Ю.Ф. Бохан В.Н. Процессы и аппараты пищевых продуктов (производств)Методические указания к курсовому проектированию для специальности 2709 «Технология рыбных продуктов» часть II 1990.- 122 ст.
Лунин О.Г. Вельтищев В.Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. – М.: Агропромиздат 1987.- 239 с.: ил.- (учебники и учеб. пособие для высш. учеб. заведений).
Стабников В.Н. Лысянский В.М. Попов В.Д.Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Агропромиздат 1985.- 503 с.

Теплообменник. Сборочный чертеж.cdw

Вход перегретого водяного пара
Площадь поверхности теплообмена
испытании и поставке аппарата должны выполняться
- ГОСТ 12.2 003-74 "Оборудование производственное. Требования безопасности";
- ОСТ 26-291-79 "Сосуды и аппараты стальные
сварные. Технические требования";
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически
Сварные соединения должны соответствовать требованиям ОСТ 26-01-82-77
Сварка в химическом машиностроении";
Сварные швы в объеме 100% контроллировать рентгеносвечением;
Размеры для справок
Техническая характеристика аппарата
Технические требования