 |
кожухотрубный теплообменный аппарат
|
|
|
|
Пояснительная записка
к курсовому проекту
по дисциплине “Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий”
Э - 330. 0000. 000. 00. ПЗ
Нормоконтролер: Руководитель:
Шашкин В. Ю. Шашкин В. Ю.
“____” __________2009 г. “____” _________2009 г.
Выполнил:
Студент группы Э-330
___________ Нафтолин А.Ю.
“____” __________2009 г.
Челябинск
2009
Аннотация
Ложкина Э.А. Проектирование теплообменного аппарата.- Челябинск: ЮУрГУ, Э, 2009,??с. Библиография литературы – 3 наименования. 1 лист чертежа ф. А1.
Данный проект содержит тепловой конструктивный, компоновочный, гидравлический и прочностной расчёты горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата типа ОГ. В результате расчетов были определены тепловые и основные конструктивные характеристики теплообменного аппарата, гидравлические потери по ходу водяного тракта
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Тепловой конструктивный и компоновочный расчёты
2. Гидравлический расчёт
3. Прочностной расчёт
Заключение
Литература
Введение
Горизонтальный охладитель ОГ сварной четырёхкорпусной с диаметром трубок 22/26 мм предназначен для охлаждения конденсата и подогрева химически очищенной воды.
Данный тип охладителей может быть установлен для турбин типа ВК-50-1, ВК-50-4.
Горизонтальный охладитель представляет собой теплообменный аппарат, состоящий из четырёх корпусов, каждый из которых является кожухотрубчатой системой. В трубной системе теплоноситель делает один ход, а в межтрубном пространстве второй теплоноситель совершает два хода, для этого между трубками установлена перегородка, которая делит полость межтрубного пространства на две равные камеры. Теплоносители в системе аппарата протекают по принципу противотока.
|
|
|
Теплоносители составляют систему «жидкость-жидкость»
Данный теплообменный аппарат устанавливается на двух опорах.
1. Тепловой и компоновочный расчёты
1) Определим конечную температуру охлаждаемой среды:
Уравнение теплового баланса:
Q1·η=Q2=Q; (1-1)
Q1=G1·c1· (t 
-t 
) – теплота отданная первым теплоносителем, (1-2)
Q2=G2·c2· (t 
-t 
) – теплота воспринятая вторым теплоносителем,(1-3)
Решая данные уравнения, совместно определяем конечную температуру охлаждаемой среды:
t = t - 
; (1-4)
Средние температуры обоих теплоносителей:
t2ср= 
= 
=55˚С, теплоёмкость при данной температуре с2=4,1825 
;
Принимаем температуру горячего теплоносителя равной 52˚С,
t1ср= 
= 
=66˚С, теплоёмкость при данной температуре с1=4,1811 
;
КПД теплообменника: η=0,98
t =80˚С– 
=52,4˚С- первоначальное допущение верно;
Теплопередача в теплообменнике:
Q=(90·1000/3600) ·4,177· (70-40)=3133 кВт;
2) Параметры сред:
Вода при температуре t = 52˚С:
Ρ=987,12 
- плотность жидкости,
λ=0,65 
- коэффициент теплопроводности,
υ=0,540·10-6 
- коэффициент кинематической вязкости,
Pr=3,4 – критерий Прандтля;
Вода при температуре 
= 70˚С:
ρ=977,8 - плотность жидкости,
λ=0,668 - коэффициент теплопроводности,
υ=0,415·10-6 
- коэффициент кинематической вязкости,
Pr=2,58 – критерий Прандтля;
3) Определение скоростей:
Для начала определим число трубок в первом ходе, для этого зададимся скоростью охлаждающей воды в трубках. По п.1.3 (Рекомендуемые скорости теплоносителей) [1] ω2=1-3 м/с. Принимаем ω2=2 м/с.:
|
|
|
(1-5)
шт.
Т.к. наш теплообменный аппарат 4-х секционный => общее число труб во всех секциях равно:
(где Z=4) (1-6)
Расстояние между осями труб выбираем по наружному диаметру трубы:
[1] (1-7)
Внутренний диаметр корпуса многоходового аппарата равен:
(где η-коэффициент заполнения трубной решетки) (1-8)
η=0,6-0,8. Принимаем η=0,6=> 
м
Определим скорость теплоносителя протекающего в межтрубном пространстве. Для этого воспользуемся уравнением неразрывности:
(где 
- площадь межтрубного пространства) (1-9)
Для начала найдем , эта площадь равна:
= 
=
Таким образом, из уравнения неразрывности => Что 
4) Определение коэффициента теплоотдачи при течении жидкости в трубах:
Reж2= 
- критерий Рейнольдса, (1-10)
Reж2= 
;
Nu2=0,021· (Reж)0,8· (Prж)0,43 
(1-11) – число Нуссельта, (где Prс- число Прандтля при температуре внутренней стенки трубы, т.е. при tс=70-52=18˚С);
Prс=5,02;
Nu2=0,021· (81482)0,8· (3,4)0,43· 
;
α2= 
- коэффициент теплоотдачи от стенки к среде, (1-12)
;
5) Определение коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве:
При продольном омывании пучков труб в межтрубном пространстве кожухотрубчатых аппаратов за определяющий размер принимают эквивалентный диаметр, который с учетом периметра корпуса аппарата равен:
(1-13)
где Dвн - внутренний диаметр кожуха; m - количество труб в одном пучке;
dн - наружный диаметр труб;
м
Reж1= 
- критерий Рейнольдса,
Reж1= 
Nu1=Nuтр·1,1· (
)0,1 (1-14) – число Нуссельта при продольном омывании трубного пучка, где Nuтр–число Нуссельта при течении в трубах,
Nuтр=0,021· (Reж)0,8· (Prж)0,43 
(1-15)– число Нуссельта, (где Prс- число Прандтля при температуре стенки трубы, т.е. при tс=70-52=18˚С);
Prс=5,02;
Nuтр=0,021· (67663)0,8· (2,58)0,43 
196;
Nu1=196·1,1· 
=223;
α1= 
- коэффициент теплоотдачи от стенки к среде,
|
|
|
α1= 
=4137,9 
.
6) Определение коэффициента теплопередачи:
К = 
, (1-16)
Rз=0,00017 
по табл. 1.3 [1]
Материал трубок ст20 λс=57 
,
К = 
;
7) Температурный напор:
Схема течения теплоносителей в теплообменнике - противоток.
Δtпрт= 
, (1-17)
Δtпрт= 
=29°С,
8) Тепловой напор:
q=k· Δt, (1-18)
q=1753,5 ·29°С=51 
.
9) Площадь поверхности нагрева:
F= 
, (1-19)
F= 
=61 м2,
10) Длина труб в одной секции:
l= 
, (1-20)
l= 
=5,5 м;
2. Гидравлический расчёт
Полные гидравлические потери теплообменника:
ΔР=ΣΔРтр +ΣΔРм+ΣΔРус+ΣΔРс, (2-1)
Так как вода – капельная жидкость, то ΣΔРус<<ΣΔРтр +ΣΔРм, поэтому ΣΔРус не учитываем, так же теплообменник не сообщается с атмосферой, поэтому ΣΔРс=0.
В итоге полные гидравлические потери:
ΔР=ΣΔРтр +ΣΔРм. (2-2)
1) Гидравлические потери по ходу ХОВ:
а) потери на трение:
ΣΔРтр1 =(ζ 
+ζ 
)· 
, (2-3)
Dэ=dвн=0.022 м,
Поправка ζ незначительна. Так как трубки выполнены из материала Ст20, то шероховатость труб Δ=0.1мм.
, Re=71197 – турбулентный режим течения,
15 
<Re<560 - область смешанного трения, значит
ζ1=0.11· 
+ 
, (2-4)
ζ1=0.11· 
+ 
=0.0299,
ΣΔРтр1 =0.0299· 
=15.35 кПа,
б) местные потери:
ΣΔРм=Σζм· , (2-5)
Значения коэффициентов местных сопротивлений имеющих место в данном теплообменнике указаны в таблице 2.3 [1].
|
|
|
В данном случае в трубной системе теплоноситель, попадая во входную камеру теплообменника, далее входит в трубки первой секции, потом выходит из трубок первой секции и с поворотом на 180º перемещается во вторую секции, где происходят те же процессы, потом также третья и четвёртая секции, потом идёт выходная камера и теплоноситель выходит из теплообменника. В итоге:
Σζм=2·1,5+4·1+4·1+3·2,5=18.5,
ΣΔРм= 
=36.7 кПа,
В итоге полные потери по ХОВ:
ΔР1=15.35+36.7=52.05 кПа.
2) Гидравлические потери по ходу конденсата:
а) потери на трение:
ΣΔРтр2=(ζ2 
+ζ 
)· 
, (2-6)
- эквивалентный диаметр, (2-7)
Площадь сечения межтрубного пространства, где протекает теплоноситель
F= 
, (2-8)
F= 
=0.015 м2,
Рсм= 
- смоченный периметр, (2-9)
Рсм= 
=1,99 м,
dэ= 
=0.03м
Поправка ζ незначительна,
Так как трубки выполнены из материала Ст20, то шероховатость труб Δ=0.1мм.
=300,
Reж2=47711– турбулентный режим течения,
15 <Re<560 - область смешанного трения, значит
Ζ2=0.11· (
+ 
) 
, (2-10)
ζ2=0.11· (
+ 
) =0.029,
ΣΔРтр2 =0.029· 
=0,8 кПа,
б) местные потери:
ΣΔРм=Σζм· 
, (2-11)
Значения коэффициентов местных сопротивлений имеющих место в данном теплообменнике указаны в таблице 2.3 [1].
Теплоноситель поступает в межтрубное пространство в первую секцию, где совершает два хода с поворотом на 180º, далее переходит во вторую секцию, где совершает аналогичные операции, так же в третьей и четвёртой секциях, потом выходит из теплообменника.
Σζм=8·2+4·1.5+4·1=26,
ΣΔРм= 
=3,85 кПа,
В итоге полные потери по конденсату:
ΔР 
=0,8 +3,85 =4.65 кПа.
3. Прочностной расчёт
Материал кожуха, труб, трубной решётки и других элементов аппарата выполнены из Ст20. Для данного диапазона температур:
s*доп=100МПа- номинальное допускаемое напряжение
[s]=s*доп*hк; (3-1)
hк=1-поправочный коэффициент;
[s]=110МПа;
1) Цилиндрический кожух.
Определение толщины стенки в местах нагруженным давлением 11 ата, то есть от выхода из трубной решётки одного корпуса до входа в трубную решётку другого корпуса:
На данном участке водяного тракта внутренний диаметр принимаем, равным:
|
|
|
Dв1=Dвмин+5, мм;
Dвмин=200 мм
Dв1=200мм+5мм=205мм;
Расчётная толщина стенки:
dр1= 
; (3-2)
jсв=1-коэффициент прочности, учитывающий ослабление цилиндра сварным швом по табл. 3.2 [1];
dр1= 
=11 мм; (3-3)
Конструктивная толщина стенки, принимается из условия:
dк1³dр1+С,
С=2мм-поправка на коррозию стенки под действием среды омывающей её, принимаем:
dк1=13мм.
(3-4)
Определение толщины стенки кожуха в межтрубном пространстве при давлении 3.5ата:
Dв2=220 мм - внутренний диаметр кожуха;
dр2= 
- расчётная толщина стенки кожуха; (3-5)
jсв=1-коэффициент прочности, учитывающий ослабление цилиндра сварным швом по табл. 3.2 [1];
dр2= 
=4 мм;
Конструктивная толщина стенки, принимается из условия:
dк2³dр2+С;
С=3 мм-поправка на коррозию стенки под действием среды омывающей её, принимаем
dк2=7 мм.
(3-6)
2) Плоские днища и крышки.
а) Толщина днища или крышки, нагруженные давлением 11 ата, определяется по формуле:
(3-7)
Где значения К и расчетного диаметра DR1 в зависимости от конструкции днищ и крышек принимаются по табл. 3.3 [1]
K=0.45 и DR1=DB1=205 мм (тип 4).
Коэффициент ослабления К0 днища или крышки отверстиями в зависимости от характера расположения отверстий в днище (крышке): без отверстий К0=1
Конструктивная толщина днища или крышки принимается из условия:
d1³d1р+С;
С=1 мм-поправка на коррозию стенки под действием среды омывающей её, принимаем
d1=30 мм.
Допускаемое давление на плоское днище или крышку определяется по формуле:
(3-8)
Где Кр – поправочный коэффициент
(3-9)
б) Толщина днища или крышки, нагруженные давлением 3,5 ата, определяется по формуле:
(3-10)
Где значения К и расчетного диаметра DR2 в зависимости от конструкции днищ и крышек принимаются по табл. 3.3 [1]
K=0.45 и DR2=DB2=220 мм (тип 4).
Коэффициент ослабления К0 днища или крышки отверстиями в зависимости от характера расположения отверстий в днище (крышке): без отверстий К0=1
Конструктивная толщина днища или крышки принимается из условия:
d2³d2р+С;
С=1 мм-поправка на коррозию стенки под действием среды омывающей её, принимаем
d2=18,6 мм.
Допускаемое давление на плоское днище или крышку определяется по формуле:
(3-11)
3) Расчет трубных решеток.
Для теплообменных аппаратов с плавающей головкой толщина неподвижной трубной решетки определяется по формуле
(3-12)
где Dс.п. – средний диаметр прокладки фланцевого соединения, м;
Р = max{|Pм|; |Pт|; |Pм – Pм|}, то есть Р = 11×106 Па.
Величину Dс.п. принимаю 0,22 м.
Тогда
.
Заключение
кожухотрубный теплообменный аппарат
В данной курсовой работе мы ознакомились с основой расчёта тепломассобменного оборудования.
В ходе расчёта определены конструктивные размеры и параметры. В итоге мы получили: число трубок в каждом из корпусов-132 шт., длина каждой трубки – 5,7 м, толщина стенки кожуха – 7 мм, толщина днища – 18,6 мм, толщина трубных решеток – 20 мм, площадь поверхности нагрева – 64 м2
Общие потери давления, обусловленные гидравлическими сопротивлениями водяного тракта, составляют для конденсата 51,4 кПа, а для химически очищенной воды 42,55 кПа.
Литература
1. Степанцова Л.Г. Расчет и проектирование теплообменных аппаратов: учебное пособие по курсу «Промышленные тепломассообменные процессы и установки». – Челябинск: ЮУрГУ, 1985
2. Краснощёков Е.А. Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 1980
3. Бакластов А.М., Горбенко В.А. Промышленные тепломассообменные процессы и установки. – М.: Энергоатомиздат, 1986
|
|
|
