Уточненный расчет теплопередачи

Задание

Рассчитать и спроектировать теплообменник для нагревания толуола от начальной температуры t_н, =15 ^оС до t_к =25 ^оС. Расход толуола 7 т/час. Нагрев производится насыщенным водяным паром Р_изб = 0,2 кгс/см²

Выбор конструкционного материала

Так как ацетон является агрессивным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632 – 72, которая используются для изготовления деталей химической аппаратуры работающей в агрессивных средах при температурах до 600 ºС [4 c.59].

Технологический расчет.

Тепловая нагрузка и расход пара.

В виду того, что в трубах нагревается толуол, а не вода и температура в трубах выше 60°С, используем аппарата типа ТН и ТК. Принимаем для межтрубного пространства индекс «1», для трубного – «2». Абсолютное давление водяного пара P=Р_атм+Р_изб

P_атм =0,98 кгс/см² – атмосферное давление

P=0,98+0,2=1,18 кгс/см²

Температура конденсации водяного пара t=103, 8 ºC [1 табл. LVII, стр. 546] при давлении P =1,18 кгс/см²

Температурная схема

103, 8→103, 8 водяной пар

15→25 толуол

Средняя разность температур ∆t_ср

∆t_м= t_ср-t₂=103,8-25=78,8 ºC

∆t_Б= t_ср-t₁=103,8-15=88,8 ºC

Средняя температура толуола

t_ср.см=t_гр-∆t_ср=103,8-83,8=20 ºC

Расход толуола

G₂=7000/3600=1,944 кг/с; V₂=G₂/r₂=1,944/866=0,00224 м³/с

где r₂ - плотность толуола при 20 ºC, r₂=866 кг/м³ [1 табл. IV c.512]

 

 

 

Расход теплоты на нагрев толуола

Q=G2*c2(t2-t1)=1,944*1,723*10³*(25-15)=33495,12 Вт;

где c2=1723 Дж/кг*К - средняя удельная теплоемкость толуола [1 рис. XI]

Расход сухого греющего пара

где r=2217 кДж/кг - удельная теплота парообразования при р=1,18 кгс/см² [1 табл. LVII];

Ориентировочно определяем максимальную величину подачи поверхностного теплообменника. По [1 табл. 4.8] минимальное значение коэффициента теплоотдачи для случая теплообмена от конденсирующего водяного пара к органической жидкости К=120 Вт/м²*К

Для обеспечения турбулентного режима при Re>10000 скорость в трубах будет:

где - динамический коэффициент вязкости толуола при t_ср.см=20 ºC

Число труб ф25*2, обеспечивающее данный расход толуола

По условию n<24 и F<8,4 м² удовлетворяет теплообменник: n=111, диаметр 400мм. Проведем расчет горизонтального и вертикального варианта выбранного теплообменника. Выбираем теплообменник «труба в трубе» ТТМ5 38/76 -10 -1,6

Наружная труба - 38х3,5 мм.

Внутренняя труба - 76х4 мм.

Для труб применяем сталь Х18Н10Т так как работает в среде органических жидкостей этилового и метилового спирта. Обоснование толщины труб приведено в механическом расчете.

 

Уточненный расчет теплопередачи

Рассчитываем эквивалентный диаметр кольцевого зазора в кожухе теплообменника типа «труба в трубе»:

d_эквМ=D_внутр-d_внеш=0,068-0,038=0,03 м

эквивалентный диаметр для трубного пространства

d_эквТ=0,038-2*0,0035=0,031 м

Минимальная скорость воды во внутренней трубе для обеспечения турбулентности течения:

Максимальное число параллельно работающих секций (относительно течения в межтрубном пространстве):

Реальное число секций (должно быть меньше расчетного): n = 1 шт.

Тогда скорость течения смеси трубном (d_экв) пространстве:

Критерий Рейнольдса:

Критерии Нуссельта (2.12 стр. 49 [1]):

примем в начале что:

Критерий Прандтля:

Коэффициент теплоотдачи:

 

 

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара

l₁=0,683 Вт/м*К - теплопроводность конденсата при температуре 102,2°С [1, стр. 537 табл. XXXIX]

r₁ =958 кг/м³ – плотность конденсата при температуре 102,2°С [1, стр. 537 табл. XXXIX]

m₁ = 0,000282 Па*с – динамическая вязкость конденсата при температуре 102,2°С [1, стр. 537 табл. XXXIX]

Сумма термических загрязнений:

r₁=r₂=5800 м²*К/Вт - удельное сопротивление со стороны теплоносителей

d=0,0035 м - толщина стенки трубки

l_ст=46,5 Вт/м*К - теплопроводность стали

Определяем коэффициент теплопередачи К

Определяем величину поправки для

Температура стенки со стороны толуола

Определяем критерий Прандтля при 54,5 °С

Тогда уточненный коэффициент теплоотдачи для ацетона составляет

 

Требуемая площадь поверхности теплообменника F:

 

2.3. Расчет количества секций

Тогда поверхность одной трубы (элемента):

Выберем длину труб: L_тр=2 м

Ориентировочное число элементов в каждой из секций:

Выбираем: N=2 шт

Тогда суммарная поверхность теплопередачи:

F=N*n*F_эл=2*1*0,217=0,434 м²

Запас поверхности:

Был выбран теплообменник "труба в трубе" следующих параметров (таблица 1).

Таблица 1. Параметры теплообменника

 

Наружная труба, мм	Внутр. труба, мм	Число секций, шт.	Число элементов, шт.	F, м2
38*3,5	76*4			0,434

 

3. Гидравлический расчет

Определяем скорость жидкости в трубе

S - площадь сечения потока в трубном пространстве [1 стр. 51, табл. 2.3],

Коэффициент трения

e - относительная шероховатость труб e=∆/d=0,2*10^-3/0,021=0,01

∆=0,2 мм - высота выступов шероховатости

 

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из неѐ, 3 поворота на 180, 2 входа и выхода из них.

Для межтрубного пространства

S_м - площадь сечения межтрубного пространства

Определяем критерий Рейнольдса

4. Конструктивный расчет

Расчет диаметра штуцеров

Диаметр штуцера для входа - выхода нагреваемой жидкости w=1-2 м/с - для подачи воды насосом [1 стр. 16].

Принимаем d_1y =40 мм

Диаметр штуцера для входа водяных паров

где - плотность водяного пара при давлении P_адс=1,12 кгс/см2 [1 стр. XLVII]

W=20-40 м/с - скорость для паров примем W=40 м/с [1 стр. 16]

принимаем d₁=25 мм

5. Механический расчет

Проверка толщины труб

Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки

[s ] -допускаемое напряжение находим по табл. [6, с. 394], [s ] =148 Мпа,

P = 0,138 МПа давление в аппарате, прочности сварного шва, при 100% контроле сварного шва j = 0,95 ручная дуговая электросварка

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки d = 3,5мм

Проверка

Допускаемое давление

5.2. Расчет фланцевого соединения

Фланцевые соединения применяют для разъемного соединения составных частей трубопровода. Так как теплообменник «труба в трубе» представляет собой последовательно соединении труб, проведем расчет числа болтов во фланцах.

Материал для болта Сталь Х18Н10Т

Так как фланец исполнения 1 – фланец стальной плоский, то для него выбирают прокладку по табл.

в исполнении 1 – для фланцев с гладкой уплотнительной поверхностью

Рис.4. Фланец стальной трубопроводный основные размеры

Фланцы и прокладки, подобранные по стандартам, в расчете не нуждаются.

При конструировании аппаратов выполняют проверочный расчѐт болтов в соответствии с ОСТ 26-373-82.

Таблица 2. Параметры конструкции аппарата

Dy, мм	DФ, мм	с1, мм	D1, мм	h, мм	s, мм	d, мм	b, мм	Диаметр болтов
		3,5						М12
								М12

 

При конструировании аппаратов выполняем расчѐт болтов в соответствии с ОСТ 26-373-82

Определяют нагрузку, действующую на фланцевое соединение от внутреннего давления Р = 0,138 МПа на фланец Dy=32мм

Рассчитывают реакцию прокладки

где: m = 2,5 - для прокладок из паранита

в ₀ - эффективная ширина прокладок

в ₀=0,5* в _п при ширине прокладки в _п=0,5*(D_n-d_n)≤15 мм

в ₀=0,5*√ в _п при ширине прокладки в _п=0,5*(D_n-d_n)>15 мм

в ₀=0,5* в _п=0,5*15=7,5

Определяем число болтов на фланцевом соединении

где f_Б - площадь поперечного сечения болта

Принимаем число болтов кратно 4, следовательно, примем 4 болта.

Для фланца Dy=68 мм

Рассчитываем реакцию прокладки

в₀=0,5*в_n=0,5*15=7,5

Определим число болтов на фланцевом соединении

где f_Б - площадь поперечного сечения болта

Принимаем 4 болта

Выбор опоры

Выбор горизонтального аппарата обусловлен принятой моделью технологических расчетов (в частности расчет коэффициента теплоотдачи для вертикальной конденсации пара)

Рис.5. Эскиз опоры аппарата

Для вертикальных аппаратов используют опоры седловые [4, с. 673], которые выбираются по допускаемой нагрузке.

Определим вес аппарата:

- масса жидкости в трубном пространстве

Задаются количеством опор. Их должно быть не менее двух, т.е. Z=2

где Z=2 - количество опор

l=1 при Z=2

Рис.6. Расчетная схема усилий

Нагрузки на приведенной балки (рис. 6)

 

 

Опорное усилие

Условие прочности

условие выдержано .

Заключение

В курсовой работе рассчитан и спроектирован теплообменник типа «труба в трубе» для нагревания толуола давлением водяных паров 0,14 МПа. В ходе расчета составлена тепловая и температурная схема теплоносителей в результате расчета принят теплообменник «труба в трубе» ТТМ5 38/76 -10 -1,6, с параметрами (таблица 3).

Таблица 3. Параметры теплообменника «труба в трубе» ТТМ5 38/76 -10 -1,6

Наружная труба, мм	Внутр. труба, мм	Число секций, шт	Число элементов, шт	F, м2
38*3,5	76*4			0,434

 

По результатам выбранного теплообменника сделан расчет гидравлический на определение сопротивления в трубном и межтрубном пространстве. Конструкторский расчет для определения размеров штуцеров, а также механический расчет фланца на болтовую нагрузку. Также произведен расчет и подбор опоры аппарата.

Содержание

	Задание
1.	Выбор конструкционного материала
2.	Технологический расчет
2.1.	Тепловая нагрузка и расход пара
2.2.	Уточненный расчет теплопередачи
2.3.	Расчет количества секций
3.	Гидравлический расчет
4.	Конструктивный расчет
5.	Механический расчет
5.1.	Проверка толщины труб
5.2.	Расчет фланцевого соединения
5.3.	Выбор опоры
	Заключение

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: