Расчет кожухотрубного теплообменника
Неподвижные трубные решетки занимают место во впадинах фланцев корпуса и крышек (рис. 7).
Рис. 7 Узел крепления неподвижной трубной решетки: 1 – решетка трубная; 2 – фланец; 3 – прокладка; 4 – трубка теплообменная; 5 – кожух; 6 – крышка.
Для того чтобы теплообменники лучше работали, необходимо обеспечить минимальный зазор между корпусом и перегородкой. Номинальный диаметр Dп поперечных перегородок принимают в зависимости от внутреннего диаметра аппарата [1, с. 58]: Dп = 310 мм при D=315 мм. Максимальное расстояние между перегородками принимаем по [1, с. 58] равным 800 мм, а минимальная толщина перегородок [1, с. 59] 8 мм.
Взаимное расположение поперечных перегородок фиксируют несколькими стяжками между ними. Стяжки придают пучку жесткость и дополнительную прочность, обеспечивают удобства его сборки. Они представляют собой тяги из круглого прутка, пропущенные через отверстия перегородок и трубных решеток. В промежутке между перегородками надеты распорные трубки. Число стяжек принимаем в зависимости от диаметра аппарата [1, с. 59]:
диаметр стяжек – 12 мм,
число стяжек – 4.
При входе среды (пара) в межтрубное пространство теплообменника часто устанавливают отбойник, который защищает от местного износа трубы, расположенные против входного штуцера (рис. 7).
Рис. 8 Схема размещения отбойника
Отбойник выполняют в виде круглой пластины. Его размер должен быть не меньше внутреннего диаметра штуцера D1, т.е. [1, с. 59].
ё20),
D = 200+15=215 мм.
Отбойник не должен создавать излишнее гидравлическое сопротивление, поэтому расстояние от внутренней поверхности корпуса до отбойника должно быть [1, с. 59]:
,
мм.
2.4 Выбор крышек и днищ аппарата
Крышки и днища теплообменных аппаратов выбираем в зависимости от диаметра кожуха. Наиболее распространенной формой днищ и крышек является эллиптическая форма с отбортовкой на цилиндр (рис. 8).
Рис. 9 Днище эллиптическое с отбортовкой
По [3, табл. 16.1] выбираем размеры днища эллиптического отбортованного стального диаметром 800 мм:
Sd = 6 мм, Нd = 81 мм, hу = 25 мм.
Днище 325 х 6-25 ГОСТ 481-58 [3, табл. 16.1].
Выбранное днище используем для изготовления входной и выходной крышек аппарата.
Марка стали – 09 Г 2 С [3, табл. 16.1].
2.5 Расчет диаметров штуцеров, выбор фланцев, прокладок и крепежных элементов
Присоединение трубопроводов к теплообменным аппаратам бывает разъемным и неразъемным. Разъемное присоединение труб осуществляется при помощи фланцевых резьбовых штуцеров. При диаметре трубопроводов более 10 мм применяют фланцевые штуцеры.
Диаметр штуцера зависит от расхода и скорости теплоносителя [1, с. 64]:
,
(12)
где V – объемный расход теплоносителя, м3/с;
–
скорость
движения
теплоносителя
в штуцере, м/с;
S – площадь
поперечного
сечения штуцера,
м2,
.
Скорости движения теплоносителей в штуцерах выбирают по [1, табл. 1.4], принимая их несколько большими, чем в аппарате.
Диаметр штуцера:
,
(13)
Диаметр штуцеров для входа и выхода воды рассчитываем по уравнению (13), принимая скорость движения воды в штуцерах равной 2,0 м/с.
м.
Принимаем dш = 50 мм.
Диаметр штуцеров для насыщенного водяного пара и конденсата, расход которых D = 6,24·10-1 кг/с.
Тогда объемный расход пара:
м3/с,
а конденсата:
м3/с.
Тогда, принимая
скорость пара
в штуцере
м/с, получаем:
м.
Принимаем dп = 100 мм.
Скорость
конденсата
в штуцере
м/с, тогда
м.
Принимаем dк = 32 мм.
Принимаем штуцера со стальными плоскими приварными фланцами с соединительным выступом (тип 1 – рис. 10).
Рис. 10 Фланец для штуцеров
Выбираем по Dу и ру = 0,6 МПа [3, табл. 21.9].
Основные размеры фланцев:
фланцы штуцеров для ввода и вывода воды – Фланец 50-3 ГОСТ 1255-67: Dу = 50 мм, Dб =110 мм, Dф = 140 мм, h = 13 мм, z = 4 шт, dб =12мм;
фланец штуцера для ввода водяного пара – Фланец 100-3 ГОСТ 1255-67: Dу =100 мм, Dб = 170 мм, Dф = 205 мм, z = 4 шт, h = 15 мм, dб = 16 мм;
фланец штуцера для вывода конденсата – Фланец 30-3 ГОСТ 1255-67: Dу =32 мм, Dб = 90мм, Dф = 120 мм, h = 15 мм, z = 4 шт, dб = 18 мм.
Для присоединения крышек к корпусу аппарата используем тип 2 диаметром 325 мм (рис. 10).
Рис. 11 Фланец для аппарата
По [3, табл. 21.9] выбираем основные размеры фланцев для аппарата: фланец I-325-3 ГОСТ 1235-67: Dб = 395 мм, Dф = 435 мм, h = 20 мм, dб = 20 мм, z = 12т; прокладка – паронит ГОСТ 481-80.
2.6 Проверка необходимости установки компенсирующего устройства
Жесткое крепление трубных решёток к корпусу аппарата и труб в трубной решетке обуславливает возникновение температурных усилий в трубах и корпусе (кожухе) при различных температурах их направления и может привести к нарушению развальцовки труб в решетках, продольному изгибу труб и другим неблагоприятным явлениям.
В случае если трубы нагреваются сильнее, чем кожух, они становятся длиннее кожуха и давят на трубные решетки, стремясь удлинить и сам корпус (кожух). Если напряжения, возникающие при этом в материале трубок и кожуха, превышают допустимые, то появляется необходимость установки компенсирующего устройства (линзы, плавающей головки и т.п.).
По
данным [1 табл.1.7]
допускаемая
разность температур
кожуха и труб
(не требующая
установки
компенсирующего
устройства)
при давлении
Рy
1,6 МПа составляет
60 оС.
Для рассматриваемого теплообменного аппарата температура стенки трубок
0С.
(см. подраздел 1.7), а минимальная температура кожуха может быть принята равной температуре пара, т.е. tст (к) = 133 оС.
Разность температур кожуха и трубок
0С,
следовательно, установка компенсирующего устройства не требуется.
2.7 Опоры аппарата
Химические аппараты устанавливают на фундаменты или специальные несущие конструкции при помощи опор. Тип опоры выбирают в зависимости от конструкции оборудования, нагрузки и способа установки. При установке вертикальных аппаратов широко применяются лапы на полу или на фундаментах. При наличии нижних опор аппарат устанавливают на три или четыре точки, при подвеске между перекрытиями – на три лапы и более.
Расчетную нагрузку, воспринимаемую опорой аппарата, определяют по максимальной силе тяжести его в условиях эксплуатации или гидравлического испытания (при заполнении аппарата водой) с учетом возможных дополнительных внешних нагрузок от силы тяжести трубопроводов, арматуры и т. д. Вес аппарата (с жидкостью) делится на число "лап", и по допустимой нагрузке на опору выбирают ее основные размеры по [1, табл. 2.13].
Принимаем число лап равным 3, а допустимую нагрузку равную 4000 Н. По [1, табл. 2.13] выбираем основные размеры опор вертикального аппарата при допустимой нагрузке 4000 Н: a=75 мм, a1=95 мм, b=95 мм, с=20 мм, c1=50 мм, h=140 мм, h1=10 мм, S1=5 мм, k=15 мм, k1=25 мм, d=12 мм.
Рис. 12 Опора вертикального аппарата
3. Гидравлический расчет
Цель гидравлического расчета – определение величины сопротивлений различных участков трубопроводов и теплообменника и подбор насоса, обеспечивающего заданную подачу и рассчитанный напор при перекачке воды.
Теплоносители должны подаваться в теплообменный аппарат под некоторым избыточным давлением для того, чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление аппарата и системы технологических трубопроводов за аппаратом, переместить теплоноситель из одной точки пространства в другую (например, поднять его) и иметь возможность сообщить ему дополнительную скорость. При этом теплоноситель должен обладать достаточной энергией в заданной точке технологической схемы.
Потери энергии жидкостью и газами при их движении, обусловленные внутренним трением, определяют величину гидравлического сопротиления [1, с. 79].
3.1 Расчет гидравлических сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в них
Теплообменные аппараты включаются в трубопроводы, входящие в состав насосных установок, образующих технологические схемы различных пищевых или химических отраслей промышленности. Расчету принадлежит схема насосной установки, предлагаемая в задании на проектировании.
Различают
два вида гидравлических
сопротивлений
(потерь напора):
сопротивление
трения и местные
сопротивления:
и
.
Для расчета
потерь напора
по длине пользуются
формулой
Дарси-Вейсбаха
[2]:
,
где
- гидравлический
коэффициент
трения;
- длина
трубопровода,
по которому
протекает
теплоноситель,
м;
d – диаметр трубопровода, м;
- скоростной
напор,м.
Для расчета потерь напора в местных сопротивлениях применяют формулу Вейсбаха:
,
где
- коэффициент
местных сопротивлений;
- скоростной
напор за местным
сопротивлением.
3.1.1 Разбивка трубопровода насосной установки на участки:
Гидравлическому расчету подлежит схема, представленная на рис. 12.
Рис. 12 – Схема насосной установки
1 –емкость; 2 – насос; 3 – теплообменник; 5 – стерилизуемый аппарат.
Трубопровод состоит из всасывающей и напорной линий. Всасывающая линия – трубопровод от нижней части емкости до насоса. Напорная линия – участок трубопровода от насоса до теплообменника, теплообменник 3, участок от теплообменника 3 до стерилизуемого аппарата 4.
3.1.2 Определение геометрических характеристик участков трубопровода, скоростей и режимов движения в них теплоносителя
Диаметры
всасывающего
и напорного
трубопроводов
определим из
уравнения
расхода (12), принимая
по [1, табл. 1.4] скорость
во всасывающем
трубопроводе
м/с,
а в напорном
–
м/с.
м.
По ГОСТ 8732-78 [4, таб. 2.34] выбираем трубу для всасывающего трубопровода диаметром 70 мм.
Скорость движения воды на всасывающем участке трубопровода:
м/с,
а режим движения
– турбулентный,
так как Re>104
[6, с.43].
где
м2/с
– кинематический
коэффициент
вязкости при
t=140С.
м
По ГОСТ 8732-78 [4,таб. 2.34] выбираем трубу для напорного трубопровода диаметром 50 мм.
Скорость движения воды на напорном участке трубопровода
м/с.
Режим движения воды на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника
– турбулентный,
так как Re>104
[6, с. 43].
Режим движения воды на напорном замкнутом участке трубопровода, включающего теплообменник и стерилизуемый аппарат.
- турбулентный,
так как Re>104,
где
м2/с
- кинематическая
вязкость воды
при t = 92°С
3.1.3 Расчет сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в них
Всасывающий участок трубопровода
При турбулентном
режиме движения
гидравлический
коэффициент
трения
может зависеть
и от числа
Рейнольдса,
и от величины
шероховатости
трубы.
Рассчитаем
гидравлический
коэффициент
трения
для гидравлически
гладких труб
по формуле
Блазиуса:
.
(14)
.
Проверим
трубу на шероховатость,
рассчитав
толщину вязкого
подслоя
и сравнив ее
с величиной
абсолютной
шероховатости
стальной бесшовной
новой трубы:
,
м,
,
значит, труба
гидравлически
гладкая и
.
На всех остальных
участках трубопровода
будем считать
трубы гидравлически
гладкими.
По формуле Дарси-Вейсбаха
,
(15)
м.
Согласно
схеме насосной
установки (рис.
12) на всасывающей
линии имеются
следующие
местные сопротивления:
два плавных
поворота на
90
–
,[1,
табл. 3.3]. Следовательно,
,
а по формуле
Вейсбаха:
, (16)
где
– коэффициент
местных сопротивлений;
– скоростной
напор за местным
сопротивлением.
м.
Суммарные потери напора на всасывающем участке трубопровода:
м.
Участок напорного трубопровода от насоса до теплообменника
м.
Согласно
расчетной схеме
(рис. 12) на напорном
участке трубопровода
от насоса до
теплообменника
имеется два
местных сопротивления:
два плавных
поворота –
[1, табл. 3.3].
Поэтому
м.
Суммарные потери напора на участке напорного трубопровода от насоса до теплообменника:
м.
Теплообменник
м.
Определим напор, теряемый в местных сопротивлениях теплообменника (рис. 13).
Рис. 13 – Коэффициенты местных сопротивлений теплообменника
Предварительно вычислим площади потока в различных участках.
1. Площадь поперечного сечения штуцера:
м2;
2. Площадь поперечного сечения крышки (свободного сечения аппарата)
м2;
3. Площадь поперечного сечения 56 труб теплообменника:
м2.
Скорости и скоростные напоры в соответствующих сечениях:
м/с;
м;
м/с;
м;
м/с;
м.
Коэффициенты местных сопротивлений:
а) при входе потока через штуцер в крышку (внезапное расширение):
;
б) при входе потока из крышки в трубы (внезапное сужение):
;
в) при выходе потока из труб в крышку (внезапное расширение):
;
г) при входе потока из крышки в штуцер (внезапное сужение):
.
Вычисляем потери напора в местных сопротивлениях:
а) при входе потока через штуцер:
м;
б) при входе потока из крышки в трубы первого хода аппарата:
м;
в) при выходе потока из труб в крышку:
м;
г) при выходе потока из крышки через штуцер:
м;
д) при повороте
из одного хода
в другой на
180° (=2,5):
м.
Суммарные потери напора в местных сопротивлениях теплообменника:
Общие потери напора (по длине и в местных сопротивлениях теплообменника):
м.
Диаметр напорного трубопровода dн = 0,05 м совпадает с диаметрами штуцеров dш = 0,05 м, следовательно при входе и выходе из теплообменника потерь напора не будет .
Участок напорного трубопровода от теплообменника до стерилизуемого аппарата
.
м.
Участок
напорного
трубопровода
от теплообменника
до стерилизуемого
аппарата включает
следующие
местные сопротивления:
6 плавных поворот
на 900
.
Тогда сумма
коэффициентов
местного
сопротивления
.
м.
м.
Суммарные потери напора в насосной установке (сети)
м
3.2 Определение требуемого напора насоса
Требуемый напор насоса определяем по формуле:
,
(17)
где Н=8м– высота подъёма жидкости в насосной установке (от насоса), м,
hвс – высота всасывания насоса, hвс= 0,5 м;
Рк – давление в стерилизуемом аппарате , Рк = 0,55 МПа;
Рат – атмосферное давление, Рат = 9,81Ч104 Па;
– суммарные
потери напора
в сети,
=
9,17 м.
По формуле (17):
м.
3.3 Выбор типа и марки насоса по расчетному напору и заданной подаче
По полю характеристик V – Н насосов для чистой воды [8, c. 328] по заданной подаче V = 4Ч10-3 м3/с (14,4 м3/ч) к рассчитанному требуемому напору Нтр =64,4 м выбираем насос по ГОСТ 22247-96: К 290/18б-У2, n=1450 об/мин.
3.4 Построение характеристик насоса и трубопровода. Определение рабочей точки насоса
По каталогу насоса для химических производств [6] строим рабочие характеристики выбранного насоса – зависимости Н = f(V), N = f(V), h = f(V).
Для построения характеристики трубопровода рассмотрим его уравнение (17).
Первые два слагаемых уравнения являются величиной постоянной и определяют собой статистический напор, тогда
