Конструкторское решение холодильника-конденсатора для конденсации водяного пара

Задание по курсовому проекту.

Рассчитать и запроектировать холодильник-конденсатор для конденсации водяного пара по следующим данным:

производительность G_п = 10 т/ч;

давление пара P_п = 4 ат;

пар насыщенный;

начальная температура охлаждающей воды t_2н = 25 єС;

конечная температура охлаждающей воды t_2к = 40 єС;

температура конденсата t_1к = 90 єС.

Расчетная часть

I. Тепловой расчет

1. Схема процесса:

Зоны:

I — конденсация насыщеного пара при t_конд;

II — охлаждение конденсата до t_1к.

— расчет тепловой нагрузки аппарата

2. Температуру парового потока на входе определяем по таблице LVII:

При P_п = 4 ат = 4 кгс/см² t_нас = 142,9 єС.

3. Количество тепла при конденсации насыщеных паров:

Q_конд = G_пr = (10*1000/3600)(2141*1000) = 5 947 222 Вт, где r = 2141кДж/кг — теплота конденсации насыщеного пара (определяется по таблице LVII).

4. Количество тепла при охлаждении конденсата:

Q_охл = G_пс_к(t_нас — t_1к) = (10*1000/3600)(1,005*4,19*10³)(142,9−90) = 618 783 Вт, где c_к = 1,005 ккал/кгК — удельная теплоемкость конденсата при t_ср.к = (t_1к+ t_нас)/2 = 116єС (определяется по номограмме XI).

5. Общая тепловая нагрузка конденсатора:

Q = Q_конд + Q_охл = 5 947 222 + 618 783 = 6 566 005 Вт.

— расчет движущей силы теплопередачи

6. Расход охлаждающей воды:

G_в = Q/(c_в(t_2к — t_2н)) = 6 566 005/(1,001*4,19*10³*(40−25)) = 104,371 кг/с, где с_в = 1,001 ккал/кгК — удельная теплоемкость охлаждающей воды при t_ср.в = (t_2к+ t_2н)/2 = 33єС (определяется по номограмме XI).

7. Граничная температура:

t_x = Q_охл/(G_вс_в) + t_2н = 618 783/((10*1000/3600)(1,005*4,19*10³)) + 25 = 26,4 єС.

8. Средняя разность температур для зоны конденсации насыщеного пара:

єС.

9. Средняя разность температур для зоны охлаждения конденсата:

єС.

— ориентировочный расчет поверхности теплопередачи

10. Максимальная поверхность конденсации:

F_конд = Q_конд/(K_кондt_{ср.конд}) = 5 947 222/(800*109,7) = 67,8 м²,

где К_конд = 800 Вт/м²К — минимальный коэффициент теплопередачи (взяли по таблце II.1).

11. Максимальная поверхность охлаждения конденсата:

F_охл = Q_охл/(K_охлt_ср.охл) = 618 783/(800*88,4) = 8,7 м²,

где К_охл = 800 Вт/м²К — минимальный коэффициент теплопередачи (взяли по таблце II.1).

12. Полная максимальная поверхность теплопередачи:

F_ор = F_конд + F_охл = 67,8 + 8,7 = 76,5 м².

— уточненный расчет поверхности теплопередачи и выбор аппарата

13. Для обеспечения турбулентного течения воды при Re'_в > 10 000 скорость в трубах с d_н = 25×2 мм должна быть больше w'_в:

м/с, где d_в = 25 — 2*2 = 21 мм, м_в = 0,7523 мПас — динамическая вязкость воды при t_{ср в} = (t_2н + t_2к)/2 = 33єС (определяется по таблице VI), с_в = 995 кг/м³ — плотность воды при t_ср = (t_2н + t_2к)/2 = 33єС (определяется по таблице XXXIX).

14. Объемный расход воды:

V_в = G_в/ с_в = (10*1000/3600)/995 = 0,105 м³/с.

15. Число труб 25×2 мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re'_в = 10 000:

16. Условию n < 842 и F < 76,5 м² удовлетворяет (по таблице 4.12 [1, c.215]) теплообменник с параметрами:

Диаметр кожуха внутренний D = 0,8 м;

Число ходов z = 1;

Число труб n = 465;

Поверхность теплообмена F = 73 м²;

Длина труб l = 2 м;

Трубное проходное сечение S_т = 16,110^-2 м²;

Межтрубное проходное сечение S_м = 7,910^-2 м²;

Число рядов труб n_p = 23;

Общая длина аппарата L = 3,07 м.

17. Уточняем значение критерия Re_в:

Re_в = Re’n'/n = 10 000*842/465 = 18 099.

18. Уточненное значение скорости в трубах:

м/с.

холодильник конденсатор пар

19. Критерий Прандтля для воды при t_{ср в} = (t_2н + t_2к)/2 = 33єС:

Pr_в = с_вм_в/_в = 4194*(0,7523*10^-3)/(62,3*10^-2) = 5,06,

где _в = 62,310^-2 Вт/мK — коэффициент теплопроводности воды при t_{ср в} = (t_2н + t_2к)/2 = 33єС (определяется по таблице XXXIX).

20. Определяем критерий Нуссельта для воды:

Nu_в = 0,021Re_в^0,8Pr_в^0,43(Pr_в/ Pr_ст.в)^0,25_l = 0,021*(18 099)^0,8*(5,06)^0,43*1,05*1 = 112,8,

где _l = 1 — коэффициент, зависящий от отношения l/d_в и критерия Re_в (по таблице 4.3 [1, c.153]), (Pr_в/ Pr_ст.в)^0,25 = 1,05 для воды.

21. Коэффициент теплоотдачи для воды:

б_в = Nu_вв/d_в = 112,8*(62,3*10^-2)/0,021 = 3348 Вт/м²К.

22. Коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации на наружной поверхности пучка горизонтальных труб:

б_конд = 2,02_п(с²_пln/(м_пG_п))^1/3 = 2,02*0,6*(68,5*10^-2)/(923²*2*465/(192,7*10^-6* (10*100/3600)))^1/3 = 9462 Вт/м²К, где = 0,6 — коэффициент при n > 100 [2, c.23], _п = 68,510^-2 Вт/мК — коэффициент теплопроводности конденсата при t_нас = 142,9єС, с_п = 923 кг/м³ — плотность конденсата при t_нас = 142,9єС, м_п = 192,710^-6 Пас — динамическая вязкость конденсата при t_нас = 142,9єС (значения _п, с_п, м_п определяется по таблице XXXIX).

23. Критерий Прандтля для конденсата при t_ср = (t_нас + t_1к)/2 = 116єС:

Pr_к = с_км_к/_к = 4194*(239,7*10^-6)/(68,4*10^-2) = 1,48,

где _к = 68,410^-2 Вт/мK — коэффициент теплопроводности и м_к = 239,710^-6 Пас — динамическая вязкость конденсата при t_ср = (t_нас + t_1к)/2 = 116єС (определяется по таблице XXXIX).

24. Критерий Нуссельта для пленочного течения конденсата по ур. VII, 54 при Re_пл = 12 (ламинарное движение пленки):

Nu_пл = 0,005Re_пл^0,33Pr_к^0,33 = 0,0129.

25. Коэффициент теплоотдачи при охлаждении конденсата по ур. VII, 59:

Вт/м²К.

26. Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений:

д/ = д_ст/_ст + 2/r_з = 2*10^-3/17,5 + 2*11 600 = 0,28 710^-3 м²К/Вт, где д_ст = (d_н — d_в)/2 = 210^-3м — толщина стенки, _ст = 17,5 Вт/мК — коэффициент теплопроводности нержавеющей стали (таблица XXVIII [1, c.529]), 1/r_з = 11 600 м²К/Вт — тепловая проводимость загрязнений стенки (таблица II.2 [2, c.21]).

27. Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны конденсации:

К'_конд = 1/(1/ б_в + 1/ б_конд + д/) = 1(1/3348 + 1/9462 + 0,287*10^-3) = 1447 Вт/м²К.

28. Уточненная поверхность конденсации:

F'_конд = Q_конд/(K'_кондt_{ср.конд}) = 5 947 222/(1447*109,7) = 37,5 м².

29. Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны охлаждения конденсата:

К'_охл = 1/(1/ б_в + 1/ б_охл + д/) = 1(1/3348 + 1/472 + 0,287*10^-3) = 370 Вт/м²К.

30. Уточненная поверхность охлаждения конденсата:

F'_охл = Q_охл/(K'_охлt_ср.охл) = 618 783/(370*88,4) = 18,9 м²,

31. Полная уточненная поверхность теплопередачи:

F' = F'_конд + F'_охл = 37,5 + 18,9 = 56,4 м².

32. Как видно выбраный нами теплообменник подходит с запасом:

= (F — F')/F' = (73 — 56,4)/56,4 = 29%

— расчет гидравлического сопротивления трубного пространства

33. Коэффициент трения в трубах:

где e = /d_в = 0,210^-3/(2110^-3) = 0,0095 — относительная шероховатость труб, = 0,210^-3 м — высота выступов шероховатостей.

34. Скорость воды в штуцерах:

w_2ш = 4G_в/(d²_шс_в) = 4*104,4/(3,14*0,25²*995) = 2,14 м/с, где d_ш = 0,25м — диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства (берется из таблицы II.8).

35. Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

II. Механический расчет

— расчет толщины обечайки Из условия коррозионной стойкости по табл.1 приложения выбираем сталь 08Х18Н10Т co скоростью проникновения коррозии П<^-3 м/год.

Прибавка на коррозию к расчетной толщине стенки аппарата определяется по формуле (3.I) [4]:

=м, где Т_А = 20 лет — амортизационный срок службы теплообменника.

Поправка С находится в пределах допустимых величин (м).

Допускаемое напряжение для материала определяется по формуле (3.5) [4]:

где — поправочный коэффициент, для не пожароопасных смесей; - допускаемое нормативное напряжение материала, МПа.

Для стали 08Х18Н10Т по табл.2 приложения при t=142,9єC принимаем =148 · 0,95 = 140,6 МПа:

МПа.

Толщина стенки обечайки определяется по формуле (3.8) [4]:

м, где Р — рабочее внутреннее давление в аппарате, МПа; Р =Р_п +Р _гидр,Р_п = 49,8110⁴10^-6 = 0,39 МПа — давление в аппарате над свободной поверхностью жидкости; Р_гидр— гидростатическое давление конденсата;_об = 0,95 — коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного шва (сварной шов стыковой двисторонний).

Так как гидростатическое давление невелико принимаем .

Принимаем по нормальному ряду S_об = 4 мм.

Проверяем применимость формулы для нахождения S_об:

(S_об — С)/D 0,1(4*10^-3 — 2*10^-3)/0,8 = 0,0025 < 0,1 — условие выполняется.

— расчет толщины крышек Толщина стенки эллиптической крышки по формуле (3.11) [4]:

м, где _кр = 1 — для крышек, изготовленных из цельной заготовки.

Во всех случаях толщина крышки должна быть не меньше толщины обечайки, рассчитанной по формуле (3.8). Принимаем по толщине обечайки S_кр = 4 мм.

Проверяем применимость формулы для нахождения S_кр:

(S_кр — С)/D 0,125(4*10^-3 — 2*10^-3)/0,8 = 0,0025 < 0,125 — условие выполняется.

— расчет фланцевых соединений Подбираем приварные фланцы для крепления крышек к обечайке аппарата по следующим данным: давление в аппарате 0,39 МПа; температура стенок аппарата t = 142,9°С; внутренний диаметр аппарата D=800мм; толщина стенок обечайки S_об = 4 мм и крышек S_кр = 4 мм.

Выбираем приварные плоские гладкие фланцы (ОСТ 26−426−79) по табл. 7 приложения.

Для фланцев, болтов и гаек выбираем материал сталь 08Х18Н10Т по табл. 7 приложения.

Наибольшее рабочее давление P_раб в аппарате при выбранных материалах и температуре до 200 ⁰C равно 0,47 МПа при условном давлении P_у = 0,6 МПа (см. табл. 9 приложения [4]).

Размеры фланцев, прокладок выбираем с учетом, что условное давление в аппарате 0,6 МПа.

Размеры фланца при Р_у = 0,6 МПа и D = 800 мм (см. табл. 7 приложения [4]) следующие:

Д_Н ⁼ 920 мм;

Д₁ = 880 мм;

Д₂ = 842 мм;

b = 35 мм;

S = 4 мм;

d₀ = 23 мм;

Z_М20 = 32 шт.

Материал прокладки выбираем по табл.3.2. При наибольшей температуре в аппарате (142,9°С) и наибольшем давлении в аппарате (0,47 МПа) выбираем прокладку из асбестового картона, которая допускает 500 °C и давление до 0,6 МПа. По ОСТ 26−430−79 (см. табл.10 приложения [4])

выбираем размеры прокладки:

Д₁. = 865 мм;

Д₂ = 835 мм (исполнение 2);

а = 2,0 мм;

m = 0,158 кг.

— расчет трубной решетки Возьмем II тип конструкции трубных решеток.

Проверяем условие устойчивости труб при осевом сжатии:

0,785P_тр(D²_сп — d²_вn) 10E_m¹⁵⁰Jn/l²;

0,785*0,11*(0,85²-0,021²*465) 10*199*10³*9,6*10^-9*465/2²;

0,044 < 2,223 — условие выполняется.

где P_тр = p_тр+ p₀ = 0,008+0,1=0,11МПа — давление в трубном пространстве, E_m¹⁵⁰ = 19 910³МПа — модуль упругости стали при 150єС (таблица 3.1 [4]), J = 0,049(d²_н — d²_в) = 9,610^-9м⁴ — момент инерции поперечного сечения трубы.

Минимальный шаг между трубами:

t = 1,3d_н = 1,3*0,025 = 0,033 м Максимальное среднее арифметическое сторон прямоугольника в решетке, образованного центрами двух смежных труб в крайнем ряду и контуром решетки по ее расчетному диаметру:

l_t 1,3t = 0,042 м Толщина трубной решетки:

м, Принимаем h = h₁ = 12 мм.

Для крепления труб в трубных решетках мы применяем сварку, поэтому толщина трубных решеток определяется только условиями прочности.

— расчет фланцевых болтов Проверяем прочность болтов М20 (32 штуки) из стали 08Х18Н10Т.

Податливость болта:

где l_Б,= 2b+2а+h₁ =0,092 м — расчетная длина болта (см. табл.8 приложения [4]); - площадь поперечного сечения болта; Е_Б = 250· 10³ МПа — модуль упругости болта табл.

Податливость части прокладки, приходящейся на один болт:

где Е_П = МПа — модуль упругости прокладки табл. [4];

— площадь прокладки, приходящейся на один болт; Z — количество болтов.

Коэффициент основной нагрузки

Усилие от давления в аппарате, приходящееся на один болт,

где — средний диаметр прокладки.

Суммарное усилие на болт

где К_СТ— коэффициент затяжки запаса против раскрытия стыка, принят равным 1,3.

Допускаемая сила [F] для болта М20 из стали 08Х18Н10Т при 200⁰С — 10 кН (см. табл. 12 приложения [1]):

Условие прочности для выбранных болтов выполняется: 9629H < 10000H.

— расчет компенсатора

Сила взаимодействия между корпусом и трубами за счет температурных напряжений:

где _ст = 16,610^-6 1/єС — коэффициент линейного расширения стали Х18Н10Т ([2, с. 81]), t_к = 0,5*(t_1к+t_нас)=116єС — средняя температура кожуха, t_тр = 0,5*(t_2н+t_2к)=33єС — средняя температура труб, E_к¹⁵⁰ = E_тр²⁰ = 20 010³МПа — модули упругости стали при 150 и 20єС (таблица 3.1 [4]), F_к = ((D+2S_об)² — D²)/4 = 0,01 м² — площадь сечения кожуха, F_тр = (d²_н — d²_в)n/4 = 0,067 м² — площадь сечения труб.

Сила от давления среды:

P = 0,785((D² — d²_нn)P_П + d²_вnP_ТР) = 0,785*((0,8² — 0,025²*465)*0,39 + 0,021²*465*0,11) = 0,13МН.

Проверяем условие обязательного применения компенсатора:

; ;

— условие не выполняется;

; ;

— условие выполняется.

Так как одно из условий не выполняется, мы вынуждены применить компенсатор.

Расчетный диаметр линзового компенсатора:

м,

где = _T/n_TT = 220/1,5*0,9 = 132МПа — допускаемое напряжение при растяжении стали Х18Н10Т, n_T = 1,5 — запас прочности по пределу текучести (по таблице 14.4 [5, с. 180]), _T = 0,9 — поправочный коэффициент (по таблице 14.2 [5, с. 179]).

По таблице 24.2 [5, с. 320] округляем D' до ближайшего большего размера D_ком:

D_ком = 1,1 м.

Расчетная толщина линз:

s'= D_комP_П/(2) + С = 1,1*0,39/(2*132) = 0,0036 м

По таблице 24.2 [5, с. 320] округляем s' до ближайшего большего размера s:

s = 0,004 м.

Реакция компенсатора по его оси:

где = D/D_ком = 0,73 — коэффициент, k = 0,66 — коэффициент, определяемый по графику фиг. 24.2 [5, c. 320].

Деформация одной линзы компенсатора:

.

Расчетное число линз:

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.;

2. Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. М.: Химия, 1991 — 496 с.;

3. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971 — 783 с.;

4. Расчет аппарата, нагруженного внутренним и наружным давлением: Методические указания к выполнению курсового проекта по прикладной механике для студ. спец. 25.16 и 26.03.04 / Сост. Б.B. Фофанов, В. В. Воробьева; Перм. гос. тех. ун-т. Пермь, 1993. 80 с.;

5. Лащинский А. А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. М.-Л.: Машгиз, 1963 — 470 с.

6. Тимонин А. С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник, том 2.