Кожухотрубный теплообменик

 –  наявність під’ємно-транспортного механізму вантажопід’ємностью не менше 5 тон;

 –  результати огляду приміщення  оформляються актом с висновками  о готовності приміщення до  монтажу.

Доставити до місця монтажу теплообмінник  в упакованому виді (згідно креслень заводу – виробника ).

Перевірити  комплектність теплообмінника. Стан теплообмінника і його комплектність  фіксується двостороннім актом і  затверджується головним інженером  заводу – виробника.

Виконати  разконсервацію теплообмінника згідно вимогам ГОСТ 9.014-78.

Перед монтажем ознайомитись з конструкцією теплообмінника, схемами стропоління його частин і вимог до монтажу.

Теплообмінник встановлюється на фундамент. Глибина  закладки фундаменту повинна відповідати  допускам навантаження на фундамент  в залежності від марки бетону.

На стяжках  рами повинна бути передбачена монтажна мітка, які фіксує головну вісь теплообмінника при перевірці його положення  відносно осей теплообмінника.

До монтажу  теплообмінника на фундамент необхідно  покласти упорні пластини в залежності від розташування установочних вінтів.

Установка теплообмінника по осям в плані відбувається при мінімальному випуску установочних болтів, після чого регулюванням вінтів теплообмінник виставляється по висоті і горизонталі.

На протязі 30 хвилин після закінчення підливки повинно бути перевірено положення  теплообмінника.

Теплообмінник заземлюють згідно діючим правилам і  норм.

Після остаточної затяжки фундаментних болтів виконуються  приєднання всіх трубопроводів теплообмінника.

Спробний  пуск відбувається тільки після затвердіння  цементного рас твору. Після остаточного  монтажу оформлюється акт готовності теплообмінника до пусконалагоджувальних  робіт.

 

2.Спеціальна частина

2.1 Тепловий  розрахунок теплообмінника

2.1.1 Вихідні  данні 

 

Приймаємо, що у міжтрубному просторі знаходиться азот, а у трубах насичений водяний пар.

Пар при тиску р=1,6МПа має температуру t=200,4C [4].

На рис. 2.1 Представлена температурна схема.

 

Рис. 2.1 – Температурна схема.

 

Середня різниця температур теплоносіїв:

,    (2.1)

К.

Так, як відбувається значне зниження температури азоту у процесі нагрівання , середню температуру розраховуємо за формулою:

 

,     (2.2)

К.

При температурі 371К азот має наступні характеристики:

Питома теплоємність: ,

Теплопровідність: ,

В’язкість: ,

Густина: .

 

2.1.2 Попередній  тепловий розрахунок

 

Приймаємо попередньо коефіцієнт тепловіддачі від пару, що конденсує , а втрати тиску в азоті допускають високі його швидкості у теплообміннику, згідно [3], приймаємо орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі .

Теплове навантаження апарату:

,    (2.3)

де С – питома теплоємність азоту, ;

    – витрати азоту, .

Вт=0,94МВт.

Площа поверхні теплопередачі дорівнює:

,    (2.4)

.

Попередньо вибираємо у відповідно з площею теплопередачі одноходовий теплообмінник з наступними параметрами: площа поверхні теплообміну , діаметр кожуха D=0,4м, довжина труб l=6м (діаметром 20х2)

 

2.1.3 Тепловий  розрахунок

 

Об’ємні витрати азоту визначаємо за формулою:

,     (2.5)

де  – густина азоту, .

.

Швидкість азоту у міжтрубному просторі дорівнює:

,     (2.6)

де  – площа прохідного перерізу міжтрубного простору, .

=0,025 ,

.

Величина критерій Рейнольдсу визначаємо за формулою:

,    (2.7)

де  - в’язкість азоту, ;

    – зовнішній діаметр труби, м.

.

Критерій Прантля:

,     (2.8)

де  – теплопровідність азоту, .

.

Критерій Нусельта:

,    (2.9)

де  – коефіцієнти, що залежать від розміщення труб, при розміщенні труб по вершинам трикутника с=0,21, n=0,65,

    - коефіцієнт кута атаки.

.

Коефіцієнт тепловіддачі по азоту визначаємо за формулою:

,    (2.10)

.

Приймаємо для розрахунку коефіцієнта теплопередачі наступні данні: термічний опір:

з боку азоту:

.

з боку пара:

.

Термічний опір стінки визначаємо за формулою:

,     (2.11)

де  – товщина стінки труби, м;

    – теплопровідність вуглецевої сталі, .

.

При попередньо прийнятому коефіцієнт тепловіддачі від пару, що конденсує загальний коефіцієнт теплопередачі дорівнює:

,    (2.12)

.

Уточнюємо дійсна поверхня теплообміну:

.

Остаточно приймаємо теплообмінник з розмірами F=41 , l=4м.

 

2.1.4 Вибір  типа теплообмінника

 

Для вибору типу теплообмінника розрахуємо напруження, що виникають в його трубах та кожуху.

Середня температура стінки труби знаходимо за формулою:

,    (2.13)

де  – середня температура стінки труби,

,

.

В апараті азот знаходиться у міжтрубному просторі та має температуру до 150 , і тому апарат з ціллю безпеки повинен бути ізольований. Це зменшить теплові втрати.

Приймаємо температуру стінки кожуха

Різниця температур:

.

Приймаємо для виготовлення теплообмінника сталь 20 ГОСТ 1050-94, враховуючи, некорозійність теплоносіїв.

Знаючи теплопередачу поверхні тип теплообмінника (Н, К, П, У) визначається величинами напружень, що виникають в трубах та кожуху апарата.

Схема температурних деформацій трубок та кожуха приведені на      рис. 2.2

Рис. 2.2 – Схема температурних деформацій трубок та кожуха

 

Так, як у нашому випадку температура труб вище, ніж кожуха, то трубки будуть стиснуті на величину , а кожух розтягнутий на величину і тоді виконується рівність:

,    (2.14)

При цьому зусилля розтягування кожуха дорівнює зусиллю стискання трубок і кожне з цих зусиль дорівнює температурному зусиллю:

,    (2.15)

Так, як матеріал кожуха та трубок однаковий то зусилля визначаємо за формулою:

,   (2.16)

де  – площа поперечного перерізу трубок, ;

    – площа поперечного перерізу кожуха, ;

    – модуль пружності матеріалу трубок, Па;

    – модуль пружності матеріалу кожуха, Па.

 

Визначимо площу поперечного перерізу трубок:

,    (2.17)

де  – товщина стінки труби, м;

    – кількість трубок, шт.

Площа поперечного перерізу кожуха:

,    (2.18)

де  – внутрішній діаметр кожуха, м;

     – товщина стінки кожуха, м.

Згідно конструктивних міркувань приймаємо для виготовлення кожуха трубу 426х9.

Для сталі 20 (матеріал кожуха і трубок)

= МПа (при ) [5].

= МПа (при ) [5].

 – модуль пружності матеріалу кожуха, Па.

Тоді:

МПа.

Загальне зусилля від тиску в теплообміннику, що розтягує трубки та кожух:

,     (2.19)

,    (2.20)

де  – тиск у кожуху теплообмінника, Па.

МН.

,    (2.21)

де  – тиск у трубках теплообмінника, Па;

    – внутрішній діаметр трубок, м.

МН,

МН.

Зусилля від тиску в теплообміннику, що сприймають трубки дорівнює:

,    (2.22)

МН.

Зусилля, що сприймає кожух дорівнює:

,    (2.23)

МН.

Напруження, що виникає в трубах теплообмінника, визначаємо за формулою:

,    (2.24)

де  – допустиме напруження для матеріалу трубок, МПа

МПа.

Напруження, що виникає в кожуху теплообмінника, визначаємо за формулою:

,    (2.25)

де  – допустиме напруження для матеріалу кожуха, МПа.

МПа.

Визначимо допустиме напруження:

,    (2.26)

де  – нормативне допустиме напруження при розрахунковій температурі, Па;

     – поправочний коефіцієнт, що враховує вид заготовки.

Для листового прокату =1 [5].

Для сталі 20 при =142МПа.

МПа.

Так, як величина МПа < МПа, а також < МПа це дає можливість застосовувати теплообмінник з нерухомими трубними решітками (тип Н).

Однак виду близького розташування МПа та МПа та приймаємих припущень приймаємо до виготовлення теплообмінника з температурним компенсатором на кожуху (тип К).

 

2.2 Розрахунок кожуха

2.2.1 Вихідні  данні

 

Кожух теплообмінника представляє собою циліндричну  обичайку, що навантажена внутрішнім тиском.

Розрахункова  схема кожуха приведена на рис. 2.3

Рис. 2.3 –  Розрахункова схема навантаження кожуха

Вихідні данні:

Внутрішній  діаметр кожуха D=0,408м,

Робочий тиск р=1,6МПа,

Температура середовища ,

Матеріал  кожуха сталь 20 ГОСТ 1050-94.

Густина середовища, що знаходиться у міжзубному просторі (азот) складає 15,2

Для виготовлення кожуха використовується труба.

 

2.2.2 Розрахунок  геометричних розмірів кожуха

 

Розрахункова  товщина стінки циліндричного кожуха, що працює під внутрішнім тиском визначаємо за формулою:

,    (2.27)

де  – розрахунковий внутрішній тиск, Па;

     D – внутрішній діаметр кожуха, м;

    – коефіцієнт міцності зварного шва;

    – допустиме напруження для робочого стану, Па;

    – пробний тиск при гідроіспитах, Па;

    – допустиме напруження при гідроіспиті, Па.

Розрахунковий тиск:

,    (2.28)

де  – гідростатичний тиск, Па.

Гідростатичний  тиск визначаємо за формулою:

,    (2.29)

де  – прискорення вільного падіння, ;

    – густина середовища у кожуху, ;

    – висота рівня рідини, м.

В даному випадку  = =0,4м – апарат горизонтальний.

Па.

Так, як гідростатичний тиск дуже малий, то ним  можна нехтувати.

Тоді: МПа.

Розрахункова  температура стінки кожуха:

,     (2.30)

де  – температура середовища, .

Так, як температура середовища , то .

Так, як кожух виконаний з труби, то коефіцієнт міцності зварного шва  =1.

Визначимо допустиме напруження:

,    (2.31)

де  – нормативне допустиме напруження при розрахунковій температурі, Па;

     – поправочний коефіцієнт, що враховує вид заготовки.