Кожухотрубний теплообмінник

 

Температурна схема:

 

99,58		99,58
50,00		80,00
Δtб=49,58		Δtм=19,58

 

Середня різниця  температур:

 

 

Середня температура 40 % розчину етанолу:

 

 

Масовий видаток 40% розчину етанолу:

Витрата насиченої гріючої пари з врахуванням 10% втрат тепла:

,

 де r = 2256 кДж/кг – питома теплота пароутворення при Р = 0,1 МПа

Знайдемо:

кг/с.

Маємо такі довідникові дані.

 

t	60оС	70оС
ρ	910 кг/м3	897 кг/м3

 

ВикоРисуноктовуючи інтерполяційні формули Лагранжа знайдемо густину 40% етилового спирту:

 

для температури 68^оС:

 

Об'ємний видаток 40% розчину етанолу:

 

 

 

За Рисунокунком ХІ (с. 544 [1]) знайдемо теплоємність етанолу для температури 68ºС:

 

Витрата теплоти на нагрівання розчину  етанолу:

Витрата сухої гріючої пари з  урахуванням 10% втрат теплоти:

,

де  – питома теплота конденсації водяної пари (таблиця LVII, с. 532 [1]).

Приймемо значення коефіцієнта  теплопередачі К_min = 340 Вт/(м²*К) (таблиця 4.8, с. 169 [1]). Тоді максимальна площа поверхні теплообміну становить:

Знайдемо динамічний коефіцієнт в’язкості  етанолу за таблицею на с. 517 [1].

 

t, ºС	60	70
μ, мПа·с	0,89	0,6

 

Використовуючи інтерполяційні формули Лагранжа для температури 68^оС:

Теплообмін буде більш ефективним, якщо теплоносії рухаються в турбулентному  режимі. Нехай розчин етанолу рухається  по трубам у турбулентному режимі, Re₂=10000.

Тоді швидкість  руху етанолу в трубах:

 де =899,6 кг/м³ – густина розчину етанолу (40%) при 68 ºС ;

Кількість труб 25×2, котрі забезпечать  об’ємну витрату етанолу при Re₂=10000 :

 

З таблиці 4.14 (с. 211, [1]) знаходимо, що умові F<102м² і n<86 відповідають:

1. чотириходовий теплообмінник із внутрішнім діаметром кожуха 600 мм, числом труб на один хід трубного простору n = 52,5 (загальна кількість труб n = 210) F=49 м² L=3м.

Вибираємо одноходовий як більш  простий.

Уточнюємо значення критерію Рейнольдса:

Коефіцієнт теплопровідності етанолу при температурі 68^оС (Рисунокунок Х, c. 543 [1]):

40% етанол:

Критерій Прандтля для розчину  етанолу при температурі 68^оС:

Приймемо  , таким чином критерій Нуссельта:

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до розчину:

 

Визначимо коефіцієнт тепловіддачі при  конденсації водяної пари.

З таблиці 4.6 (с. 160, [1]) за допомогою  інтерполяційної формули Лагранжа знаходимо В_t (n_в=7):

 

 

t, оС	100	110
Вt	1010	1040

 

 

Нехай домішка повітря у водяній  парі складає 0,75%, тоді згідно Рисунокунку 4,9 (с. 161, [1]) ε_Г = 0,6 для шахового розташування труб в пучку при числі рядів по вертикалі B = 14;

Термічний опір сталевої труби:

 (м²×К/Вт).

де  = 46,5 Вт/(м·К) − коефіцієнт теплопровідності сталі Ст.3 при температурі 78,959 ºС.

Приймемо теплову провідність  з боку гріючої пари 1/r=5800 Вт/(м²К), теплова провідність з боку розчину етанолу 1/r=5800 Вт/(м²К). Тоді сумарна теплопроводимість:

Коефіцієнт теплопередачі:

 

Питоме теплове навантаження:

Перевіримо  прийняте значення (Pr/Pr_cт2).

За Рисуноком ХІ (с. 544 [1]) знайдемо теплоємність етанолу для температури 79ºС:

Знайдемо динамічний коефіцієнт в’язкості  етанолу за таблицею на с. 990 [1].

Коефіцієнт теплопровідності етанолу при температурі 79^оС (Рисунокунок Х, c. 543 [1]):

40% етанол:

 

Відповідно:

Перевірка

Розрахункова площа поверхні теплообміну:

Площа поверхні теплообміну, що забезпечується апаратом F_ап=49 м²

Запас площі теплообміну:

.

Запас площі теплообміну  достатній.

Орієнтовано приймаємо наступні параметри горизонтального теплообмінника з плаваючою головкою (по ГОСТ 14246-79 і ГОСТ 14247-79)

Площа поверхні теплообміну

Довжина трубок

Кількість ходів – 4

Діаметр кожуха – 600, мм

Діаметр труб d = 0,025, м

Товщина стінок труби δ = 0,002 м

 

 

 

 

1. Розрахунок діаметрів патрубків штуцерів

Швидкість руху розчину через поперечний переріз труб одного ходу теплообмінника:

Діаметр штуцера:

_{Обираємо  штуцери для входу  і виходу розчину  етанолу діаметром 150 мм.}

Швидкість руху розчину через штуцери діаметром 0,15 м:

Діаметр патрубка для входу  гріючої пари:

 м,

де ρ₁ =0,72 кг/м³ – густина пари при тиску 0,1 МПа;

 W_1кр.=30 м/с – критична швидкість для газів.

_{Обираємо  штуцер діаметром 350 мм.}

Діаметр патрубка для виходу конденсату:

м,

де W_кр.р.=1,5 м/с – критична швидкість для рідин;

ρ_конд.=885 кг/м³ – густина конденсату притемпературі 99,58 ºС.

Обираємои штуцер діаметром 50 мм.

 

 

2. Гідравлічний розрахунок[2]

Гідравлічний опір трубного простору.

Коефіцієнт тертя при Re >2300 визначаємо за формулою:

=

де - відносна шорсткість труб;

= 0,2 мм - висота виступів шорсткостей.

Коефіцієнти місцевих опорів потоку, який рухається у трубному просторі згідно [2]:

_трі = 1,5 - вхідна і вихідна камери;

_тр2 = 2,5 - поворот між ходами теплообмінника;

_трз =1,0 - вхід в труби і вихід з них.

Тоді гідравлічний опір трубного простору теплообмінника:

Па,

Де z =4 – кількість ходів по трубам.

Гідравлічний опір міжтрубного  простору теплообмінника не розраховуєм  оскільки в міжтрубному просторі гріюча пара .

 

3. Kонструктивний розрахунок

Розрахунок розміщення труб у трубній гратці

 При розміщенні труб в трубних ґратках необхідно забезпечити максимальну компактність, зручність розміщення труб та їх найкращого закріплення. З точки зору задоволення цих вимог найбільш зручною є схема розміщення труб у вершинах правельних трикутників - шаховий пучок труб. Для такого розміщення зв'язок між загальною кількістю труб n числом труб на діагоналі b і кількістю труб на стороні найбільшого трикутника виражається співвідношенням а:

n = 3×а×(а-1)+1.

Розв'яжемо рівняння 3a² – 3a – 205 = 0, і отримаємо, що а= 5. Тоді b = 2×а-1=2×5-1=9

Відстань між осями  труб або крок: Міжтрубний крок: t = 1,2× d_н = 1,2 × 0,025 = 0,03 м.

Рисунок 1− Трубна решітка

4. Розрахунки на міцність [3]

Розрахунок товщини  циліндричної обичайки.

Допустиме напруження для  матеріалу обичайки (сталь Ст3):

д= 135 132,35×10⁶ Па

Номінальна товщина  стінки циліндричної обичайки:

м,

де, = 1 - коефіцієнт міцності зварних швів.

Оскільки використовуємо корозійностійку сталь Ст3 то поправку на корозію можна не враховувати і поправку на округлення товщини листа сталі по сортаменту С₀=0,023 мм, тоді товщина обичайки:

S=S’+C₀=0,227+0,023=0,25 мм

Формула використовується при виконанні умови:

;

Допустимий тиск в обичайці:

МПа > 0,1,МПа

5. Розрахунок товщини еліптичної кришки

Товщина стінки еліптичної кришки:

м

Обираємо днище з такими параметрами:

D_В=600 мм, h= 25 мм, h_в=150 мм, S=3 мм.

Допустимий тиск на кришку:

 

 

 

 

 

Рисунок 2 − Еліптичне днище

6. Розрахунок товщини трубної дошки

Номінальна розрахункова висота ґратки зовні:

h₁= К_і×

= 0,28×0,6 = 0,00457 м

Hомінальна розрахункова висота ґратки посередині:

h= К₂× = 0,47×0,6 = 0,0077 м

де, - коефіцієнт послаблення ґратки отворами:

= (d - )/ d = (0,6 -15×0,025)/0,6 = 0,375

Приймаємо товщину трубної  дошки h=75 мм, h₁=45 мм

Рисунок 3 − Трубна решітка.

7. Розрахунок опори

Схема опори:

Рисунок 4 – Схема опори

Мета:

Вибрати тип опори та її розміри

Вихідні дані:

Маса сухого апарату     2290 кг.(ГОСТ 15122-79)

Число труб      240(4´ходовий)

Труби       3 м, 25´2 мм

Діаметр       600 мм

Опори обираємо за величиною навантаження (Q) на одну опору.

Об’єм трубного простору:

= м³

Об’єм міжтрубного простору:

= = 0,459 м³

 

Загальна маса теплообмінника:

Навантаження на одну опору:

Вибираємо опру згідно МН 5131–63 відповідно до діаметру теплообмінника і розрахованого  навантаження:

D_н=630мм

L=570мм

l=340мм

B=220мм

b=180мм

H=360мм

H₁=160мм

 

h=120мм

A=450мм

R=300мм

Маса = 25,1кг

8. Розрахунок фланцевих з'єднань

Так як тиск в апараті складає  менше 0,25 МПа і температура менша за 300 , то обираємо плоскі приваргі фланці для нашої конструкції марки 08Х18Н10Т [5 ст.210].

Вибираємо стандартні фланці згідно ГОСТу 1255–67. Для нашого теплообмінника із внутрішнім діаметром кожуха 600мм вибираємо фланець із наступними характеристиками: допустиме навантаження P_y=1,0МПа, D_ф=780мм, D_б=725мм, D₁=685мм.

 Для даного фланця використовуємо  болти М27, z=20. Висота h_фланця=31мм, m=39,4кг.

 

Рисунок 5 – Фланець

 

4. Вибір допоміжного обладнання

Для керування процесом та забезпечення нормальних умов експлуатації теплообмінник  повинен бути обладнаний:

• приладами для вимірювання тиску та температури;
• запобіжними пристроями;
• показниками рівня рідини;
• запірною арматурою.

Повинна бути передбачена можливість заповнення та видалення середовища теплообмінника, а у випадку можливого накопичення конденсату в ньому повинна бути встановлена дренажна система.

Запірна арматура повинна встановлюватись  на трубопроводах, які відводять  або підводять пар чи рідину. Так як в нашому випадку даний рідина в апараті токсична та вибухонебезпечна, то на вхідній лінії від насоса повинен бути зворотній клапан, який автоматично закривається тиском із судини. Він повинен встановлюватись між насосом та запірною арматурою.

 

Апарат повинен бути забезпечений манометрами, які можуть бути встановлені  на штуцерах, трубопроводі або пульті управління.

Між манометром і апаратом повинен  встановлюватись трьохходовий клапан або аналогічний пристрій.

На апараті має бути прилад для контролю відсутності тиску в апараті (необхідно при відкриванні апарата).

 
Рекомендацїї по монтажу  та експлуатації

Складальні  роботи з монтажу полягають в  установці апаратів на фундаменті, установці і приєднанні допоміжного  устаткування, приєднання трубопроводів, деталей вузлів підведення і відводу продуктів, установці приладів теплового контролю й автоматичного регулювання. У процесі монтажу виявляється й усуваються дефекти конструкції і виготовлення апаратури. Одночасно здійснюється налагодження роботи апарата з метою підготовки до експлуатації.