Расчет теплообменника
1. Тепловой расчет
.1 Схема процесса
Зоны:- конденсация насыщеного пара при tконд;-
охлаждение конденсата до t1к.
1.2 Расчет тепловой нагрузки аппарата
Температуру парового потока на входе определяем по таблице
LVII [1, с. 550] при Pп = 4 кгс/см2 (абс.) tнас
= 142,9 ºС.
Расход греющего пара определяем из теплового балланса:
п×ск×(tнас - t1к)
+ Gп ×r = GВ×сВ×(t2к - t2н)
,
где cв - удельная теплоемкость воздуха при Dtср.в = (t2к+ t2н)/2
= 45ºС (определяется по
таблице V [1, с. 515]), cв = 1×103 Дж/кг×К;
ск - удельная теплоемкость конденсата при Dtср.к = (t1к+ tнас)/2
= 116,45 оС, определяем по номограме ХI [1, с. 562], ск =
4,12 кДж/кг×К;- теплота конденсации насыщенного пара,
определяем по таблице LVII [1, с. 550], r = 2141 кДж / Кг
кг/ч = 0.057 кг/с.
Количество тепла образующееся при конденсации насыщенных паров:
кВт.
Количество тепла образующееся при охлаждении конденсата:
кВт.
Общая тепловая нагрузка конденсатора:
= Qохл + Qконд = 121000 + 12320 = 133,320
кВт.
1.3 Расчет движущей силы теплопередачи
Граничная температура:
оС,
где - расход воздуха, кг/с.
Средняя разность температур для зоны конденсации насыщеного пара:
ºС.
Средняя разность температур для зоны охлаждения конденсата:
ºС.
1.4 Ориентировочный расчет поверхности теплопередачи
Поверхность теплообмена для зоны конденсации:
конд
= Qконд/(Kконд×Dtср.конд) = 121000/(12×92,45)= 110 м2,
где Кконд = 12-120 Вт/м2К - коэффициент
теплопередачи, выбираем по таблце 3.35 [6, с. 177].
Поверхность теплообмена для зоны охлаждения конденсата:
охл
= Qохл/(Kохл×Dtср.охл) = 12320/(12×96,7) = 10,7 м2,
где Кохл = 12-120 Вт/м2×К - коэффициент теплопередачи, выбираем по
таблце 3.35 [6, с. 177].
Общая ориентировочная поверхность теплообмена:
ор
= Fконд + Fохл = 110 + 10,7 = 120,7 м2.
1.5 Выбор аппарата
Выбераем по таблице 4.12 [1] кожухотрубчатый теплообменник ГОСТ
15118 - 79.
Параметры аппарата:
Диаметр кожуха наружный D
= 800 мм;
Число ходов z
= 1;
Поверхность теплообмена F
= 73 м2;
Длина труб l
= 2 м;
Площадь сечения одного хода по трубам Sт
= 0,16 м2;
Площадь самого узкого сечения в межтр. пространстве Sм
= 0,079 м2;
Диаметр труб d
= 25х2 мм;
Число труб n
= 465
1.6 Зона конденсации паров
Критерий Рейнольдса для воздуха:
где - расход воздуха, = 2,22 кг/с;
- эквивалентный диаметр, == 0,025 - 0,004 = 0,021 м;
- вязкость воздуха при Dtср в = 45 ºС, = 17,3×10-6
Па×с.
Скорость воздуха в трубах
м/с
Коэффициент теплоотдачи для воздуха:
αв = Nuв×lв/dв
= 45,8×0,0279/0,021 = 60,4 Вт/м2К.
1.7 Определение термических сопротивлений стенки
Сумма термических сопротивлений стенки труб из углеродистой стали
и загрязнений:
årст = δст/lст + rз1 + rз2
δст - толщина стенки, δст = (dн - dв)/2 = 0,002 м;
lст -
коэффициент теплопроводности углеродистой стали определяется по таблице таблица
XXVIII [1, c. 529], lст = 17,5 Вт/м×К;
/rз1 - тепловая проводимость загрязнений стенки со
стороны воздуха определяется по таблице 3.1 [6, c. 131], rз1 = 86 10-5
м2×К / Вт;
/rз2 - тепловая проводимость загрязнений стенки со
стороны пара определяется по таблице 3.1 [6, c. 131], rз2 = 8,6 10-5
м2×К / Вт;
årст = 0,002/17,5 + 86 10-5 + 8,6 10-5
= 1,06×10-3 м2×К / Вт.
1.8 Уточнение поверхности теплопередачи
Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны конденсации:
К1.конд = 1/(1/ αв + årст
+ 1/ αконд) = 1 (1/60,4 + 1,06×10-3 + 1/40360) = 56,7 Вт/м2×К.
Уточненная поверхность конденсации:
F1.конд = Qконд/(К1.конд ×Dtср.конд) = 121000/(56,7×92,45) = 23,08 м2.
Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны охлаждения
конденсата:
К1.охл = 1/(1/ αв + årст
+ 1/ αохл) = 1 (1/60,4 + 10,61×10-4 + 1/472,2) = 50,7 Вт/м2×К.
1.охл
= Qохл/(K1.охл ×Dtср.охл) = 12320/(5,7×96,7) = 2,5 м2
теплообменник паровой термический гидравлический
1.9 Расчет гидравлического сопротивления трубного пространства
Коэффициент трения в трубах:
,
где e - относительная шероховатость труб, e = D/dв = 0,08/21 = 3×10-3;
D - абсолютная шероховатость трубы, D = 0,08×10-3
м;
Скорость воздуха в штуцерах:
ш =
4×Gв/(p×d2ш×ρв) = 4×2,22/(3,14×0,52×1,29) = 8.8 м/с,
где dш - диаметр условного прохода штуцеров для
трубного пространства выберается из таблицы II.8 [2, с. 27], dш =
0,5 м.
Гидравлическое сопротивление трубного пространства
2. Механический расчет
2.1 Расчет толщины обечайки
Коррозионная проницаемость стали 16ГС П =-3 м/год.
Прибавка на коррозию к расчетной толщине стенки аппарата
определяется по формуле 4.1 [2, с 76]:
=м,
где ТА - амортизационный срок службы теплообменника, ТА
= 20 лет.
Поправка С находится в пределах допустимых величин ( м).
.3. Допускаемое напряжение для материала определяется по формуле [4]:
,
где - поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки, - для листового проката;
- нормативное допускаемое напряжение стали 16ГС при t = 142.9ºC, МПа определяется по таблице 1.2 [5, с
11], = 151.06 МПа;
МПа.
Исполнительная толщина стенки обечайки определяется по формуле 1.5
[5, с 18]:
,
где D - наружный диаметр обечайки, D = 800 мм;
j - коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного
шва, j = 0,95.
Р - Расчетное давление определяется по формуле:
Р =Рп +Р гидр,
где Рп - рабочее давление, Рп = 3×9,81×104×10-6
= 0,2943 МПа;
Ргидр - гидростатическое давление конденсата не учитывается
Р = Рп = 0,2943 МПа.
м.
м.
Принимаем по нормальному ряду Sоб = 3 мм.
Определим допускаемое внутреннее избыточное давление в
аппарате:
Мпа.
Проверяем применимость формулы для нахождения Sоб:
(Sоб - С)/D £ 0,1,
2.2 Расчет толщины днища
Исполнительная толщина стенки эллиптического отбортованного
днища определяется по формуле 1.17 [5, с 20]:
м.
где j = 1 - для днищ, изготовленных из цельной
заготовки;
D - внутренний диаметр, D = 0,794 м;
м.
Исполнительная толщина днища должна быть не меньше исполнительной
толщины обечайки. Принимаем толщину днища S = 3 мм.
Допускаемое внутреннее избыточное давление:
МПа.
Проверяем применимость формулы для нахождения Sэ:
(Sэ - С)/D £ 0,125,
2.3 Расчет фланцевого соединения
Для соединения обечайки и распределительной камеры и для
закрепления трубной решетки при давлении Р = 0,2943 МПа, внешнем диаметре
аппарата D = 800 мм, толщине
стенки обечайке Sоб = 3 мм выбераем по таблице 13.3 [4,
с. 219] фланец для труб и трубной арматуры стальной приварной встык с впадиной.
Размеры фланца
при Py = 1 МПа и Dy = 800 мм:ф =1010 ммб
= 950 мм1=905 мм2 =878 мм4= 826 мм5=792
мм6=850 мм=80 мм=27 мм=23 мм- число отверстий, z = 24 (под болты
М20).
В качестве
материала фланца примем сталь 08Х22Н6Т по ОСТ 704 - 72, группы IV и IVк по
таблице 13.5 [4, с. 224], для болтов - сталь 35 по ГОСТ 1759 - 70, и гаек -
сталь 35 по ГОСТ 1759 - 70.
Выбираем плоскую
неметаллическую прокладку из азбестового картона, которая допускает 500°С и давление до 1,6 МПа по ОСТ 26 -
373 - 78 по таблице 13.24 [4, с. 261].
2.4 Расчет
трубной решетки
Определение
минимального шага между трубами:
м,
где - наружный диаметр тубы, = 0,025 м.
2.5 Расчет
толщины трубной решетки
Толщина средней
части трубной решетки:
,
где К -
коэффициент, принимаемый в зависимости от типа трубной решетки, выбираем по
таблице [2, с 80], К = 0,45 для II типа;
Р - большее из Ртр
и Рмтр, Р = 0,2943 МПа;
Dп - средний диаметр уплотняющей прокладки фланцевого соединения, Dп = 0,505 м.
- допускаемое напряжение материала
трубной решетки, = 151,06 МПа при t = 142.9ºC;
- коэффициент ослабления решетки
отверстиями:
где t - шаг расположения отверстий, t = 25 мм;
- диаметр отверстий, = 25 мм;
.
м.
Определение
толщины трубной решетки снаружи:
,
где К = 0,36 для II типа;
м.
Толщина трубных
решеток при закреплении труб на сварке определяется только условиями прочности
решетки.
2.6 Расчет условного диаметра штуцеров
Штуцер для входа насыщенного водяного пара
Принимаем скорость перемещения для пара w
= 18 м/с. Массовый расход водяного пара равен 203,48 кг/ч. Плотность пара равна
1,98 кг/м3 по таблице 56 [1, с 548] при t = 142,9 Со.
Тогда объемный расход пара будет равен:
м3/ч.
Диаметр штуцера определяем по формуле:
;
Штуцер для отвода конденсата водяного пара
Рекомендуемая скорость для жидкости w = 1 м/с. Плотность
конденсата водяного пара равна 922,7 кг/м3. Тогда объемный расход
будет равен
м3/ч
Диаметр штуцера определяем по формуле:
;
Штуцер для подвода воздуха
Расход воды составляет 8000 кг/ч.
м3/ч.
;
Штуцер для отвода воздуха
Скорость воздуха в штуцере w = 10,7 м/с.
кг/ч.
Заключение
В данной курсовой работе представлен расчет процесса
нагревания воздуха насыщенным водяным паром по исходным данным:
·
Давление
насыщенного водяного пара Pп.изб = 3 кгс/см2;
·
Расход
воздуха GВ = 8000 кг/ч;
·
Начальная
температура воздуха t2н = 15 ºС;
·
Конечная
температура воздуха t2к = 75 ºС;
·
Давление
воздуха РВ = 760 мм.рт. ст.=1,03 кгс/см2;
·
Температура
конденсата t1к = 90 ºС.
Список источников
1.
Павлов К.Ф. и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической
технологии. Учебное пособие для вузов. Л.: Химия, 1987 - 576 с.;
.
Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по
проектированию. М.: Химия, 1991 - 496 с.;
.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия,
1971 - 783 с.;
.
Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.
Справочник. М.-Л.: Машгиз, 1963 - 470 с;
.
Михалев М.Ф., Третьяков Н.П. Расчет и конструирование машин и аппаратов
химических производств: Примеры и задачи: Учеб. Пособие для студентов втузов.
Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1984. - 301 с.
6.
Поникаров И.И., Поникаров С.И., Рачковский С.В. Расчеты машин и аппаратов
химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи):Учебное
пособие.-М.:Альфа-М, 2008.-720 с.