Расчет теплообменника

 

1. Тепловой расчет

.1 Схема процесса

Зоны:- конденсация насыщеного пара при tконд;- охлаждение конденсата до t1к.

1.2 Расчет тепловой нагрузки аппарата

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

Расход греющего пара определяем из теплового балланса:

п×ск×(tнас - t1к) + Gп ×r = GВ×сВ×(t2к - t2н)

,

где cв - удельная теплоемкость воздуха при Dtср.в = (t2к+ t2н)/2 = 45ºС (определяется по таблице V [1, с. 515]), cв = 1×103 Дж/кг×К;

ск - удельная теплоемкость конденсата при Dtср.к = (t1к+ tнас)/2 = 116,45 оС, определяем по номограме ХI [1, с. 562], ск = 4,12 кДж/кг×К;- 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:

= Qохл + Qконд = 121000 + 12320 = 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:

ºС.

Средняя разность температур для зоны охлаждения конденсата:

ºС.

1.4 Ориентировочный расчет поверхности теплопередачи

Поверхность теплообмена для зоны конденсации:

конд = Qконд/(Kконд×Dtср.конд) = 121000/(12×92,45)= 110 м2,

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

Поверхность теплообмена для зоны охлаждения конденсата:

охл = Qохл/(Kохл×Dtср.охл) = 12320/(12×96,7) = 10,7 м2,

где Кохл = 12-120 Вт/м2×К - коэффициент теплопередачи, выбираем по таблце 3.35 [6, с. 177].

Общая ориентировочная поверхность теплообмена:

ор = Fконд + Fохл = 110 + 10,7 = 120,7 м2.

1.5 Выбор аппарата

Выбераем по таблице 4.12 [1] кожухотрубчатый теплообменник ГОСТ 15118 - 79.

Параметры аппарата:

Диаметр кожуха наружныйD = 800 мм;

Число ходовz = 1;

Поверхность теплообменаF = 73 м2;

Длина трубl = 2 м;

Площадь сечения одного хода по трубамSт = 0,16 м2;

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

Диаметр трубd = 25х2 мм;

Число трубn = 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 Dtср в = 45 ºС, = 17,3×10-6 Па×с.

Скорость воздуха в трубах

м/с

Коэффициент теплоотдачи для воздуха:

?в = Nuв×lв/dв = 45,8×0,0279/0,021 = 60,4 Вт/м2К.

1.7 Определение термических сопротивлений стенки

Сумма термических сопротивлений стенки труб из углеродистой стали и загрязнений:

årст = ?ст/lст + rз1 + rз2

?ст - толщина стенки, ?ст = (dн - dв)/2 = 0,002 м;

lст - коэффициент теплопроводности углеродистой стали определяется по таблице таблица XXVIII [1, c. 529], lст = 17,5 Вт/м×К;

/rз1 - тепловая проводимость загрязнений стенки со стороны воздуха определяется по таблице 3.1 [6, c. 131], rз1 = 86 10-5 м2×К / Вт;

/rз2 - тепловая проводимость загрязнений стенки со стороны пара определяется по таблице 3.1 [6, c. 131], rз2 = 8,6 10-5 м2×К / Вт;

årст = 0,002/17,5 + 86 10-5 + 8,6 10-5 = 1,06×10-3 м2×К / Вт.

1.8 Уточнение поверхности теплопередачи

Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны конденсации:

К1.конд = 1/(1/ ?в + årст + 1/ ?конд) = 1 (1/60,4 + 1,06×10-3 + 1/40360) = 56,7 Вт/м2×К.

Уточненная поверхность конденсации:

F1.конд = Qконд/(К1.конд ×Dtср.конд) = 121000/(56,7×92,45) = 23,08 м2.

Уточненный коэффициент теплопередачи для зоны охлаждения конденсата:

К1.охл = 1/(1/ ?в + årст + 1/ ?охл) = 1 (1/60,4 + 10,61×10-4 + 1/472,2) = 50,7 Вт/м2×К.

Уточненная поверхность охлаждения конденсата:

1.охл = Qохл/(K1.охл ×Dtср.охл) = 12320/(5,7×96,7) = 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/dв = 0,08/21 = 3×10-3;

D - абсолютная шероховатость трубы, D = 0,08×10-3 м;

Скорость воздуха в штуцерах:

ш = 4×Gв/(p×d2ш×?в) = 4×2,22/(3,14×0,52×1,29) = 8.8 м/с,

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

Поправка С находится в пределах допустимых величин ( м).

.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 = 142.9ºC, 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;

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

Р - Расчетное давление определяется по формуле:

Р =Рп +Р гидр,

где Рп - рабочее давление, Рп = 3×9,81×104×10-6 = 0,2943 МПа;

Ргидр - гидростатическое давление конденсата не учитывается

Р = Рп = 0,2943 МПа.

м.

м.

Принимаем по нормальному ряду Sоб = 3 мм.

Определим допускаемое внутреннее избыточное давление в аппарате:

Мпа.

Проверяем применимость формулы для нахождения Sоб:

(Sоб - 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 j = 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 Sэ:

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

Размеры фланца при Py = 1 МПа и Dy = 800 мм:ф =1010 ммб = 950 мм1=905 мм2 =878 мм4= 826 мм5=792 мм6=850 мм=80 мм=27 мм=23 мм- 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°С 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 Ртр и Рмтр, Р = 0,2943 МПа;

Dп - средний диаметр уплотняющей прокладки фланцевого соединения, Dп = 0,505 м.

- допускаемое напряжение материала трубной решетки, = 151,06 МПа при t = 142.9ºC;

- 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 w = 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 Со. Тогда объемный расход пара будет равен:

м3/ч.

Диаметр штуцера определяем по формуле:

;

Штуцер для отвода конденсата водяного пара

Рекомендуемая скорость для жидкости w = 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 w = 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 Pп.изб = 3 кгс/см2;
• Расход воздуха GВ = 8000 кг/ч;
• Начальная температура воздуха t2н = 15 ºС;
• Конечная температура воздуха t2к = 75 ºС;
• Давление воздуха РВ = 760 мм.рт. ст.=1,03 кгс/см2;
• Температура конденсата t1к = 90 ºС.

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.;

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

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

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

. 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.

1. Тепловой расчет .1 Схема процесса Зоны:- конденсация насыщеного пара при tконд;- охлаждение конденсата до t1к.

Больше работ по теме: