 |
Конструктивно – механический расчёт
|
|
|
|
Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ
КОНСТРУКТИВНО – МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ
Расчет толщины обечайки
Расчет трубной решётки
Подбор крышки и днища
Подбор штуцеров
Расчёт опор
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ
РАСЧЁТ ИЗОЛЯЦИИ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение
Теплопередача – это наука о процессах распространения теплоты. Различают три различных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В реальных установках теплота передаётся комбинированным путём, однако вклад этих трёх составляющих в общий перенос теплоты неодинаков и определяется многими условиями: природой теплоносителя, агрегатным состоянием, температурным и гидродинамическим условиям и т.д.
В промышленности теплообмен между рабочими телами (теплоносителями) происходит в специально сконструированных аппаратах, которые называются теплообменниками. Они должны отвечать определённым общим требованиям: обладать высокой тепловой производительностью и экономичностью, обеспечивать заданные технологические условия процесса, быть просты по конструкции, компактны, обладать современным техническим и эстетическим дизайном, иметь длительный срок службы, соответствовать требованиям СНИП и ведомственным правилам Госгортехнадзора. Особые требования предъявляются к обеспечению надёжности работы аппаратов, возможности автоматического регулирования режимно-технологических параметров и аварийного отклонения.
В химической технологии теплообменные аппараты довольно широко распространены, применяются в различных производствах легкой и тяжелой промышленности. Для обеспечения того или иного технологического процесса применяются различные типы теплообменных аппаратов. Основную группу теплообменных аппаратов, применяемых в промышленности, составляют поверхностные теплообменники, в которых теплота от горячего теплоносителя передается холодному теплоносителю через разделяющую их стенку. Другую группу составляют теплообменники смешения, в которых теплота передается при непосредственном соприкосновении горячего и холодного теплоносителей.
|
|
|
Теплообменные аппараты классифицируются:
1.По назначению:
а) холодильники;
б) подогреватели;
в) испарители;
г) конденсаторы;
2.По конструкции:
-изготовленные из труб:
а) теплообменники «труба в трубе»;
б) оросительные теплообменники;
в) погружные змеевиковые;
г) теплообменники воздушного охлаждения;
д) из оребренных труб;
е) кожухотрубчатые теплообменники;
-с неподвижной трубной решеткой;
-с линзовым компенсатором;
-с плавающей головкой;
-с U-образными трубами;
3.По направлению движения теплоносителя:
а) прямоточные;
б) противоточные;
в) с перекрестным движением.
4.По принципу действия теплообменные
а) рекуперативне;
б) регенеративне;
в) смесительные.
Наибольшее распространение в химической промышленности получили теплообменные аппараты рекуперативного типа. В аппаратах этого типа теплообмен между горячим и холодным теплоносителями осуществляется через разделяющую их перегородку (стенку).
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты используются для практической реализации таких процессов, как нагревание (охлаждение), конденсация и испарение. Соответственно аппараты называются теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями.
Теплообменники предназначены для проведения процесса теплообмена между теплоносителями, которые не изменяют своего агрегатного состояния в процессе теплообмена: это газо-жидкостные и жидкостно-жидкостные аппараты для проведения процессов охлаждения и нагревания.
|
|
|
Холодильники предназначены для охлаждения водой или другими нетоксичными, не пожаро- и не взрывоопасными хладагентами жидких и газообразных сред. Работают, как правило, в области минусовых температур.
В соответствии с ГОСТ 1512019 и 15122-79 кожухотрубчатые теплообменники и холодильники изготавливают двух типов «Н» - с неподвижными трубными решётками и «К» - с компенсатором температурных напряжений на кожухе. Необходимость использования компенсатора определяется предельно-допустимой разностью температур стенок труб и кожуха, равной 50єС или сравнительно большой длиной теплообменных труб (более 6м).
Конденсаторы предназначены для конденсации насыщенных паров. Обычно конденсацию осуществляют на наружной поверхности пучка труб в межтрубном пространстве. В химической промышленности для нагревания жидкостей и газов за счёт теплоты конденсации насыщенных паров чаще всего используется насыщенный водяной пар.
Испарители предназначены для проведения процессов испарения жидкости при кипении. При этом жидкость кипит в трубах, а в межтрубное пространство подаётся греющий агент. В соответствии со стандартом, кожухотрубчатые испарители в этом случае могут быть только одноходовыми и вертикального исполнения.
Теплообменники типа «труба в трубе». При сравнительно небольших тепловых нагрузках (малых производительностях по теплоносителям), когда требуемая величина теплопередающей поверхности незначительна (до 20 ч 40 м2), на практике рекомендуется использовать наиболее простые по устройству, изготовлению, монтажу и эксплуатации теплообменники. Они изготавливаются в следующих исполнениях:
- неразборные однопоточные малогабаритные;
- разборные одно- и двухпоточные моногабаритные;
- разборные однопоточные;
- неразборные двухпоточные;
- разборные многопоточные;
В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образуется набором тонких штампованных гофрированных пластин, которые собраны в пакеты и разделены между собой специальной формы и профиля уплотнительной термостойкой резиной. Они могут быть разборными и полуразборными.
|
|
|
Спиральные теплообменники. В них поверхность теплопередачи образуется двумя листами (лентами) из углеродистой или легированной стали, свёрнутыми в виде спирали вокруг центральной перегородки.
Блочные графитовые теплообменники. Для осуществления процесса теплообмена между агрессивными химически активными теплоносителями пользуются теплообменниками, изготовленными из графита. Наибольшее распространение получили блочные графитовые теплообменники.
В нашем случае по заданию необходимо провести расчёт кожухотрубчатого теплообменника.
Кожухотрубчатые теплообменники относятся к рекуперативным поверхностным аппаратам непрерывного действия. По конструкции они представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, закрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами с крышками, снабженнвми патрубками входа и выхода теплоносителя. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены. Теплообменники такого типа предназначены для теплообмена между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостями и газом.
Основным недостатком аппаратов такого типа является большое сечение трубного и межтрубного пространства, что обуславливает невысокие скорости движения теплоносителей и, как следствие, невысокие значения коэффициентов теплоотдачи. Для увеличения скорости движения теплоносителей, теплоносителей, теплообменники часто выполняются многоходовыми, устанавливая перегородки в трубном или межтрубном пространстве.
Основное достоинство кожухотрубчатых теплообменников – большая удельная поверхность теплообмена, то есть поверхность, приходящаяся на единицу массы аппарата, благодаря чему эти теплообменники находят самое широкое применение.
Тепловой РАСЧЕТ
Исходные данные:
Бинарная смесь метанол-вода
Производительность 160т/сутки
Пары поступают в аппарат при температуре конденсации, конденсат отводится при 18°C
Содержание нк в парах 65%(масс.)
|
|
|
Температура охлаждающей воды:
-на входе 12°C
-на выходе 17°C
Мольная доля смеси:
Построим t-x диаграмму из которой найдем tкип.см = 78°C
Таблица 1. – Расчет содержания низкокипящего компонента при различных давлениях и температуре.
|  , мм. рт. ст.
|  , мм. рт. ст.
|  , мм. рт. ст.
| 
|
| 64 | 760 | 180 | 760 | 1 |
| 68 | 850 | 215 | 0,85 | |
| 72 | 950 | 240 | 0,73 | |
| 76 | 1150 | 310 | 0,54 | |
| 80 | 1200 | 340 | 0,49 | |
| 84 | 1400 | 400 | 0,36 | |
| 88 | 1600 | 510 | 0,23 | |
| 92 | 1700 | 525 | 0,20 | |
| 96 | 1830 | 610 | 0,12 | |
| 100 | 2090 | 760 | 0 |
Рисунок 1. t-x диаграмма.
Уравнения теплового баланса
Тепло, отданное смесью метанол-вода при конденсации:
- по правилу аддитивности.
Тепло, отданное при охлаждении конденсата смеси этанол-вода:
и 
а также 
и 
берем при температуре кипения смеси 78°C
Общее тепло, отданное смесью метанол-вода:
Определение промежуточной температуры 
Температура смеси между зонами конденсации и охлаждения определяется:
или 
.
Расчет зоны конденсации.
Средний температурный напор в зоне конденсации, в случае смешанного тока, определяем по уравнению:
 |
Так как 
и 
Наметим вариант теплообменного аппарата.
Ориентировочно определим значение площади поверхности теплообмена, полагая Кор=300 Вт/(м2*К).
. 
Расчет зоны охлаждения конденсата.
 |
Ориентировочно определим значение площади поверхности теплообмена, полагая Кор=800 Вт/(м2*К).
Определим количество труб на один ход.
где, Re=15000, так как предполагаем, что режим движения жидкости турбулентный
По табл. XXXIV [стр.533,1] примем двухходовой кожухотрубчатый теплообменник КН (ГОСТ 15119-79) с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом ходов равным 2, числом труб на один ход 377 (общее число труб n=754), высотой труб l=3 м.
Уточняем значение коэффициента Рейнольдса:
Следовательно, в трубном пространстве будет обеспеченно турбулентное движение теплоносителя.
Расчет I зоны конденсации.
Определим поверхность теплообмена зоны конденсации.
Определим коэффициент теплопередачи.
Коэффициент теплопередачи:
Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений.
Считаем, что со стороны органической смеси накипь не образуется. Коэффициент теплопроводности стали 
=16,4 Вт/(м К), коэффициент теплопроводности накипи 
=2 Вт/(м К).
Значение физических величин, входящих в это уравнение выбираются из таблиц при температуре плёнки конденсата:
где
Определение коэффициента теплоотдачи от конденсирующего пара к изотермической стенке.
при 74,8°C
|
|
|
для турбулентного режима.
(пренебрегаем 
Тогда 
Коэффициент теплопередачи:
Определим поверхность теплообмена зоны конденсации.
Расчет II зоны охлаждения.
Определим поверхность теплообмена зоны охлаждения.
Определение коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воде в зоне охлаждения
Поскольку охлаждающая вода в процессе теплопередачи не изменяет своего агрегатного состояния и движется с той же скоростью, что и в зоне конденсации, то логично принять, что:
.
Коэффициент теплопередачи:
.
Определение коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воде.
Примем 
, 
.
Конструктивно – механический расчёт
В задачу конструктивно – механического расчета входит определение необходимых геометрических размеров отдельных деталей и узлов, которые определяют конструкцию теплообменного аппарата, его механическую прочность и размеры.
Расчет толщины обечайки
Обечайка – цилиндрический корпус аппарата, который работает, как правило, под избыточным внутренним и внешним давлением.
Принимаем материал сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-61.
Толщина стенки обечаек, работающих под внутренним давлением, рассчитывается по уравнению:
где PR- расчетное давление в аппарате, МПа; 
- предельно–допустимое напряжение для стали Х18Н10Т ГОСТ 5632-61, =145МН/м2; D- диаметр обечайки, мм; 
- прибавка на округление, 
- прибавка на коррозию.
Проверим условие:
условие выполняется
Допускаемое избыточное давление в обечайке:
Расчет трубных решёток
Толщину трубных решёток можно принять:
Теплообменные трубы в трубной решётке располагаются по вершинам равносторонних треугольников (шахматное расположение труб).
Это обусловлено тем, что этот способ расположения обеспечивает наиболее компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата.
Подбор крышки и днища
Составными элементами корпусов химических аппаратов являются крышки и днища, которые обычно изготовляются из того же материал, что и обечайки, и привариваются к ней. Форма крышек и днища может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой для цилиндрических аппаратов является эллиптическая. Эллиптические днища и крышки изготавливаются из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до 10 МПа. Крышки и днища подбирают стандартными по таблицам из справочной литературы.
Выбираем эллиптическое отбортованное днище СТХ18Н10Т
В днище имеются отверстия d = 0,2м, цм=0,8
Коэффициент ослабления днища отверстиями:
Толщина стенки днища с учетом прибавки
Проверим условие:
условие выполняется
Допускаемое избыточное давление в днище:
По табл. 16.1[3,стр.440] подбираем стандартные стальные отбортованные днище и крышку с размерами (Днище 1000 
6-25-Х18Н10Т ГОСТ 6533-68):
Dв = 1000 мм;
h в = 250 мм;
s = 6 мм;
h = 25 мм;
Подбор штуцеров
Штуцеры должны соответствовать по конструкции и прочности рабочему давлению внутри аппарата, при этом должны обеспечивать высокую герметичность.
Штуцеры изготавливают из стальных труб необходимого размера. В зависимости от рабочего давления внутри аппарата выбирают размеры фланцев. Толщина стенок штуцеров должна определяться расчетом на плотность по рабочему давлению в аппарате и нагрузкам, возникающим от присоединенных деталей трубопроводов и арматуры, однако она не должна быть меньше половины толщины стенки аппарата, к которому они привариваются. При выборе высоты штуцеров необходимо исходить из условий закладки болтов во фланцы со стороны сосуда, а также с учетом толщины слоя изоляции, закрепляемой на поверхности аппарата.
Диаметр условного прохода (внутренний диаметр) штуцеров для подвода и отвода теплоносителей рассчитывается на основе уравнения массового расхода:
;
откуда
;
здесь щшт – скорость течения теплоносителя в штуцере, м/с.
Для паров смеси принимаем щшт =30 м/с, для жидкости принимаем щшт =1 м/с и для воды принимаем щшт = 4 м/с
Принимаем Dy =200 мм.
Выбираем штуцер с плоским фланцем и тонкостенным патрубком (по I типу [табл.27.1, 3]).
d3, d4 =0,2 мм
Принимаем Dу = 200 мм
dн = 219 мм;
Dу = 200 мм;
Н = 180 мм;
l = 230 мм
s = 10
m=16,8 кг.
Материал: сталь Х18Н10Т
d2 =0,07 мм
Принимаем Dу = 100 мм
Выбираем штуцер с плоским фланцем и тонкостенным патрубком (по I типу [табл.27.1, 3]).
dн = 121 мм;
Dу = 100 мм;
Н = 190 мм;
l = 190 мм
s = 8
m=6,72 кг.
Материал: сталь Х18Н10Т
d1 =0,3 мм
Принимаем Dy =300 мм.
Выбираем штуцер с плоским фланцем и тонкостенным патрубком (по I типу [табл.27.1, 3]).
Принимаем Dу = 300 мм
dн = 325 мм;
Dу = 300 мм;
Н = 200 мм;
l = 270 мм
s = 10
m= 31,6 кг.
Материал: сталь Х18Н10Т
Присоединительные размеры фланцев
1. Для штуцеров с Dy =100 мм
Dу = 100 мм
dн = 108 мм
Dф = 205 мм;
Dб = 170 мм;
D1 = 148 мм;
h = 11мм
Болты М16, z=4
Тип фланца I ГОСТ 1255-67
2. Для штуцеров с Dy =200 мм
Dу = 200 мм
dн = 219 мм
Dф = 315 мм;
Dб = 280 мм;
D1 = 258 мм;
h = 15мм
Болты М16, z=8
Тип фланца I ГОСТ 1255-67
3. Для штуцеров с Dy =300 мм
Dу = 300 мм
dн = 325 мм
Dф = 435 мм;
Dб = 395 мм;
D1 = 365 мм;
h = 18мм
Болты М20, z=12
Тип фланца I ГОСТ 1255-67
Расчёт опор
Установка химических аппаратов на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор.
Для установки нашего вертикального аппарата будем использовать опоры типа II по ОН 26-01-69-68.
Для того, чтобы выбрать опору, необходимо рассчитать вес всего аппарата в рабочем состоянии.
Вес аппарата
1) крышка+днище+фланец
2) обечайка
3) трубные решетки
4) трубы
5) штуцера
м3
Вес всего аппарата:
Опоры лапы типа VIII [3, рис.29.1]
Теплообменник подвешены на 4-х лапах.
Число ребер в лапе z=2
Валет опоры l = 0,25
Нагрузка на одну опору = 9091,2
| L=100 | b=22 | a1=50 |
| L1=120 | b =70 | a2=105 |
| L2=90 | H=235 | R=12 |
| B =195 | h=14 | D=24 |
| B1 =85 | S=6 | M=16 |
| B2 =90 | a=25 |
Подкладной лист
Гидравлический расчёт
Основной целью гидравлического расчёта теплообменных аппаратов является определение затрат энергии на перемещение жидкости (пара) через теплообменник и подбор насоса или вентилятора. Подбор насоса осуществляется по следующим основным параметрам: свойствам теплоносителя, необходимой объёмной производительности, развиваемого напора и мощности двигателя. Во всех случаях при подборе насосов или вентиляторов, их паспортные характеристики должны быть не ниже требуемых по расчёту.
В общем случае мощность N (кВт), потребляемая двигателем насоса рассчитывается по уравнению:
;
VВ = 
;
Где, S=рЧd2Чnв одн.х/4=3,14Ч0,0212Ч377/4=0,13 м2;
Па
по рис.1.5 при Re=19319,5 
Определим потери давления на преодоление местных сопротивлений теплообменника.
| Вид сопротивления | о | ∑о |
| Входная и выходная камеры | 1,5 | 1,5Ч2=3 |
| Вход в трубы и выход из них | 1 | 1Ч4=4 |
| Поворот на 180є из одной секции в другую | 2,5 | 2,5Ч2=5 |
Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле:
м/с
Скоростное давление в штуцерах:
Дрск'=щш 2Чс/2= 1000 
4,52/2=10262,7 Па
Скорость в штуцере больше скорости в трубах, поэтому потери давления для входной и выходной камер находим по скорости в штуцерах, а потери при входе и выходе из труб и при повороте из одной секции в другую – по скорости в трубах:
ŋ = 0,65
Выбираем насос из табл.15[3, стр. 28]: заданным подаче и напору соответствует центробежный насос марки Х500/25, для которого
Q = 1,5·10-1м3/с; Н = 19м; n = 16с-1; ŋн = 0,80.
Насос обеспечен электродвигателем типа АО2-91-6, номинальной мощностью Nн = 55 кВт.
Расчёт изоляции
tст. = tконд. = 76 оС; tиз = 40 оС; tокр = 20 оС.
Толщину тепловой изоляции находим из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции к окружающей среде.
Вт/(м·К);
В качестве изоляционного материала возьмём совелит (85% магнезит + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности л=0,09 Вт/(м·К).
Толщина изоляции: 
дн =л(tст. – tиз)/ бн(tиз – tокр) = 0,09(76 - 40)/11,62(40 - 20) = 0,014 м.
Толщину изоляции принимаем равную 14 мм.
Заключение
Был произведен тепловой расчет аппарата, в результате был выбран стандартный вертикальный кожухотрубный теплообменник с неподвижной трубной решеткой (ГОСТ 15119-79) поверхность теплообмена 
. Диаметр кожуха 1000 мм, длина труб 3 м, общее число труб 754, диаметр трубы 0,025x2 м, число ходов 2, запас площади поверхности теплообмена 15%. Рассчитана тепловая изоляция ее толщина составляет 14 мм. А также произведен гидравлический расчет.
Трубы изготовлены из стали марки Х18Н10Т, расположены в шахматном порядке и закреплены в трубной решетке развальцовкой.
Для подачи воды в теплообменник используем центробежный насос марки Х500/25.
Теплообменник установлен на четыре стандартных опоры типа ОВ- II-Б-10000-20 ОН 26-01-69-68.
Список литературы
1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.- 9-е изд.- Л.: Химия, 1981.-560с.
2. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию.- 2-е изд./ Под ред. Ю.И. Дытнерского.- М.: Химия, 1991. – 496с.
3. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. – Спб.: Машиностроение. 1981. – 382с.
4. Кожухотрубный теплообменник. Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов всех специальностей ХТФ - Томск: Изд. ТПУ, 2006 - 20с.
5. Процессы и аппараты химической технологии. Проектирование теплообменных аппаратов. Часть 1.Тепловой расчет. Методические указания к курсовому проектированию для студентов химико-технологического факультета. Томск: Изд. ТПУ, 2004.-47с.
6. Процессы и аппараты химической технологии. Проектирование теплообменных аппаратов. Часть 2. Гидравлический и конструктивно – механический расчеты. Методические указания к курсовому проектированию для студентов химико-технологического факультета. Томск: Изд. ТПУ, 2004.-42с.
|
|
|
