Расчет теплообменника

1. Тепловой расчет

1.1 Схема процесса

Зоны:

I — конденсация насыщеного пара при t_конд;

II — охлаждение конденсата до t_1к.

1.2 Расчет тепловой нагрузки аппарата

Температуру парового потока на входе определяем по таблице LVII [1, с. 550] при P_п = 4 кгс/см² (абс.) t_нас = 142,9 єС.

Расход греющего пара определяем из теплового балланса:

G_пс_к(t_нас — t_1к) + G_п r = G_Вс_В(t_2к — t_2н)

где c_в — удельная теплоемкость воздуха при t_ср.в = (t_2к+ t_2н)/2 = 45єС (определяется по таблице V [1, с. 515]), c_в = 110³ Дж/кгК;

с_к — удельная теплоемкость конденсата при t_ср.к = (t_1к+ t_нас)/2 = 116,45 ^оС, определяем по номограме ХI [1, с. 562], с_к = 4,12 кДж/кгК;

r — 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:

Q = Q_охл + Q_конд = 121 000 + 12 320 = 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:

єС.

Средняя разность температур для зоны охлаждения конденсата:

єС.

1.4 Ориентировочный расчет поверхности теплопередачи

Поверхность теплообмена для зоны конденсации:

F_конд = Q_конд/(K_кондt_{ср.конд}) = 121 000/(1292,45)= 110 м²,

где К_конд = 12−120 Вт/м²К — коэффициент теплопередачи, выбираем по таблце 3.35 [6, с. 177].

Поверхность теплообмена для зоны охлаждения конденсата:

F_охл = Q_охл/(K_охлt_ср.охл) = 12 320/(1296,7) = 10,7 м²,

где К_охл = 12−120 Вт/м²К — коэффициент теплопередачи, выбираем по таблце 3.35 [6, с. 177].

Общая ориентировочная поверхность теплообмена:

F_ор = F_конд + F_охл = 110 + 10,7 = 120,7 м².

1.5 Выбор аппарата

Выбераем по таблице 4.12 кожухотрубчатый теплообменник ГОСТ 15 118– — 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 S_т = 0,16 м²;

Площадь самого узкого сечения в межтр. пространстве S_м = 0,079 м²;

Диаметр труб d = 25×2 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 t_{ср в} = 45 єС, = 17,310^-6 Пас.

Скорость воздуха в трубах

м/с

Коэффициент теплоотдачи для воздуха:

б_в = Nu_вв/d_в = 45,80,0279/0,021 = 60,4 Вт/м²К.

1.7 Определение термических сопротивлений стенки

Сумма термических сопротивлений стенки труб из углеродистой стали и загрязнений:

r_ст = д_ст/_ст + r_з1 + r_з2

д_ст — толщина стенки, д_ст = (d_н — d_в)/2 = 0,002 м;

_ст — коэффициент теплопроводности углеродистой стали определяется по таблице таблица XXVIII [1, c. 529], _ст = 17,5 Вт/мК;

1/r_з1 — тепловая проводимость загрязнений стенки со стороны воздуха определяется по таблице 3.1 [6, c. 131], r_з1 = 86 10^-5 м²К / Вт;

1/r_з2 — тепловая проводимость загрязнений стенки со стороны пара определяется по таблице 3.1 [6, c. 131], r_з2 = 8,6 10^-5 м²К / Вт;

r_ст = 0,002/17,5 + 86 10^-5 + 8,6 10^-5 = 1,0610^-3 м²К / Вт.

1.8 Уточнение поверхности теплопередачи

Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны конденсации:

К_1.конд = 1/(1/ б_в + r_ст + 1/ б_конд) = 1 (1/60,4 + 1,0610^-3 + 1/40 360) = 56,7 Вт/м²К.

Уточненная поверхность конденсации:

F_1.конд = Q_конд/(К_1.конд t_{ср.конд}) = 121 000/(56,792,45) = 23,08 м².

Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны охлаждения конденсата:

К_1.охл = 1/(1/ б_в + r_ст + 1/ б_охл) = 1 (1/60,4 + 10,6110^-4 + 1/472,2) = 50,7 Вт/м²К.

Уточненная поверхность охлаждения конденсата:

F_1.охл = Q_охл/(K_1.охл t_ср.охл) = 12 320/(5,796,7) = 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_в = 0,08/21 = 310^-3;

— абсолютная шероховатость трубы, = 0,0810^-3 м;

Скорость воздуха в штуцерах:

w_ш = 4G_в/(d²_шс_в) = 42,22/(3,140,5²1,29) = 8.8 м/с,

где d_ш — диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства выберается из таблицы II.8 [2, с. 27], d_ш = 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 Т_А — амортизационный срок службы теплообменника, Т_А = 20 лет.

Поправка С находится в пределах допустимых величин (м).

10.3. Допускаемое напряжение для материала определяется по формуле [4]:

где — поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки, — для листового проката;

— нормативное допускаемое напряжение стали 16ГС при t = 142.9єC, 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;

— коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного шва, = 0,95.

Р — Расчетное давление определяется по формуле:

Р =Р_п +Р _гидр,

где Р_п — рабочее давление, Р_п = 39,8110⁴10^-6 = 0,2943 МПа;

Р_гидр — гидростатическое давление конденсата не учитывается Р = Р_п = 0,2943 МПа.

м.

м.

Принимаем по нормальному ряду S_об = 3 мм.

Определим допускаемое внутреннее избыточное давление в аппарате:

Мпа.

Проверяем применимость формулы для нахождения S_об:

(S_об — 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 = 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 S_э:

(S_э — 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 S_об = 3 мм выбераем по таблице 13.3 [4, с. 219] фланец для труб и трубной арматуры стальной приварной встык с впадиной.

Размеры фланца при P_y = 1 МПа и D_y = 800 мм:

D_ф =1010 мм

D_б = 950 мм

D₁=905 мм

D₂ =878 мм

D₄= 826 мм

D₅=792 мм

D₆=850 мм

H=80 мм

h=27 мм

d=23 мм

z — 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 °C 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 Р_тр и Р_мтр, Р = 0,2943 МПа;

D_п — средний диаметр уплотняющей прокладки фланцевого соединения, D_п = 0,505 м.

— допускаемое напряжение материала трубной решетки, = 151,06 МПа при t = 142.9єC;

— 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 = 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 С^о. Тогда объемный расход пара будет равен:

м³/ч.

Диаметр штуцера определяем по формуле:

;

Штуцер для отвода конденсата водяного пара Рекомендуемая скорость для жидкости = 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 = 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 P_п.изб = 3 кгс/см²;

Расход воздуха G_В = 8000 кг/ч;

Начальная температура воздуха t_2н = 15 єС;

Конечная температура воздуха t_2к = 75 єС;

Давление воздуха Р_В = 760 мм.рт. ст.=1,03 кгс/см²;

Температура конденсата t_1к = 90 єС.

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.;

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

5. 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.