Проектирование теплообменного аппарата

                                         F_ор = (м²)

Исходя из значений F_ор и выбранного типа теплообменника в соответствии с ГОСТ 9930 – 78 выбираются конкретные размеры аппарата, которые соответствуют:

       d = 48 х 4,0 мм

       D = 108 х 4,0 мм

 

 

 

 

 

 

1.3. Выбор и обоснование материалов.

 

При выборе материалов для аппарата необходимо руководствоваться ГОСТ 26.291 – 71 [1].

В соответствии с этим ОСТ в качестве конструкционного материала для аппарата и всех его металлических деталей ( опоры, штуцера и фланцы ) может быть применена углеродистая сталь группы В (с нормируемыми механическими  свойствами и химическим составом ) – В Ст 3 (ГОСТ 380 – 71 ). Эта сталь обладает такими положительными свойствами [3]:

• химическая стойкость (скорость коррозии П = 0,05 ¸0,1 мм/год );
• технологичность ( хорошая свариваемость );
• достаточная прочность ( s_доп. = 131 МПа при t = 150 ⁰С );
• подходящие физические свойства ( l_ст = 46,5 Вт/м ^. к );
• относительная дешевизна.

 

 

2. Конструкторский расчет  аппарата.

 

Конструкторский расчет состоит из теплотехнического, механического  и гидравлического расчетов.

Цель расчета –  установление правильности выбора типа и размеров аппарата, определение гидравлических потерь и механических характеристик конструкции.

 

 

2.1. Теплотехнический  расчет.

 

Целью теплотехнического  расчета является сопоставление  поверхности теплопередачи, полученной в результате уточненного расчета с рассчитанным ранее ориентировочным значением, что дает ответ о пригодности данного варианта аппарата для данной технологической задачи.

Определение расчетной  поверхности теплопередачи по формуле (1), а коэффициент теплопередачи  рассчитывают с помощью уравнения аддитивности  термических сопротивлений на пути теплового потока [1]:

                                  

где  К_р – расчётный коэффициент теплопередачи, Вт/м^2.к;

        a₁ – коэффициент теплоотдачи воды, Вт/м^2.к;

        a₂ - коэффициент теплоотдачи пара, Вт/м^2.к;

        - толщина теплопередающей стенки, м;

        l_ст – коэффициент теплопроводности материала стенки, l_ст = 46, 5 Вт/м ^. к;

         r₁ – термическое сопротивление слоя загрязнения со стороны воды,       

                     1/r₁ » 5400 Вт/м^2. к;

         r₂ – термическое сопротивление слоя загрязнения со стороны пара,

                      1/r₂ » 5800 Вт/м^{2 .} к

Коэффициенты теплоотдачи  для воды и конденсирующегося  водяного пара на наружной поверхности одиночной горизонтальной трубы соответственно находятся [2]:

                                 a₂ =      (9)

где    l₂ – коэффициент теплопроводности воды,

                                   l₂ = 65,625 ^. 10^-2 Вт/м ^. к;

         Nu₂ – критерий Нусельта;

         d_вн – внутренний диаметр малой трубы, м;

  и      

                             a₂ = 0,72

где     - коэффициент теплопроводности воды при температуре пара ( конденсата ),

                                    = 68,4 ^. 10 ^–2 Вт/ м ^. к;

                        

           - плотность конденсата, = 917 кг/м³;

            r₂ – удельная теплота конденсации пара,

                                    r₂ = 2120 ^. 10³ Дж/кг;

            g – постоянная ускорения свободного падения,

                                    g = 9,8 м²/с;

            - динамический коэффициент вязкости,

                                   = 185 ^. 10^-6 Па ^. с;

             d – наружный диаметр малой трубы, м;

             Dt – средний температурный напор, К.

Отсюда:

Вт/м^{2 .} к

 

Критерий Nu₁ находится исходя из значения критерия Re (т.е. режима движения воды ), который находится, как [3]:

                                        Re =      (11)

где   W₁ – скорость движения воды в трубном пространстве, м/с;

         n₁  - кинематический коэффициент вязкости,

                          n₁ = 0,5872 ^.10^-6 м²/с;

Скорость движения теплоносителей находится из формулы [3]:

                                W₁ =       (12)

где     V₁ – объемный расход воды, м³/с;

           F_тр – площадь поперечного сечения трубного пространства, м².

В свою очередь объемный расход можно найти, как [3]:

                                         V_i       (13)

где      G_i – массовый расход теплоносителя, кг/с;

            r_i – плотность теплоносителя, кг/м³.

Отсюда:

                          V₁=   (м³/с)

                           V₂=      (м³/с)

Площади поперечного  сечения трубного и межтрубного  пространств находятся из формул [4]:

                                            F_тр=      (14)

где      p = 3,14;

            d_вн- внутренний диаметр малой трубы, м.

Отсюда:

                F_тр=       (м²)

                F_мтр=            (15)

где       D_вн – внутренний диаметр большой трубы, м.

                F_мтр=     (м²)

Подставляя найденные  значения в формулу (12) находят скорости движения теплоносителей:

                                               W₁=     (м/с) 

                                 И

                                               W₂=       (м/с)

Применив формулу (11), определяется критерий Re:

                                           Re₁=

Исходя из того, что  значения Re = 43469 > 10000 (турбулентный режим) критерий Nu будет рассчитываться по уравнению [3]:

                           Nu = 0,021 ^. Re ^{0,8 .} Pr ^0,43( Pr/Pr_ст) ^0,25      (16)

где     Pr – критерий Прантля воды, Pr = 3,848;

           Pr_ст – критерий Прантля стенки.

                     (Pr/Pr_ст)^0,25 = 1 при нагреве среды.

Отсюда:

                Nu = 0,021 ^.43469^{0,8 .} 3,848^{0,43 .} 1 = 192,5

Исходя из чего воспользовавшись формулой (9) найдено:

                     a₁=     ( Вт/м^2. с)

Подставляя значения в формулу (8) получено:

 

          

                                             К_Р»1200 Вт/м^{2 .} к

 

Откуда по формуле (1);

                                       

F_P немного отличается от F_ор и К_Р находится в приемлемом интервале значений (300 – 1200 Вт/м^{2 .} к), поэтому можно сделать вывод о том, что предложенный вариант аппарата может быть использован для выполнения заданной технологической задачи.

Определение недостающих размеров:

Общие длины , длины каждого  элемента, количество элементов и  диаметры штуцеров для прохода теплоносителя, является заключительной частью уточненного  расчета. Так общую длину теплообменника можно найти по формуле [ 4 ]:

                                          l =    ,(17)

где   l – общая длина, м;

        F_р – расчетная поверхность теплопередачи, м²;

        d_н - наружный  диаметр внутренней трубы, м.

                                          l =

Исходя из ГОСТ 9930 – 78 длина одного элемента с соответствующими диаметрами может быть принята равной l = 3м, тогда количество элементов в секции находится, как [4]:

                                                             n =

где    n – количество элементов в секции, шт.

                                                             n =

А это означает, что  для выполнения данной задачи применим теплообменный аппарат состоящий  из одной секции, которая в свою очередь состоит из двух элементов длиной по 6м каждый и имеющий такие диаметры:

                  d = 38 х 3,5 мм     и      D = 76 х 4,0 мм

Диаметр штуцера целесообразно  вычислять только для межтрубного  пространства, так как в трубном пространстве в качестве штуцера разумнее будет вывести трубу малого диаметра, т.е. d = 38 х 3,5 мм, это уменьшит гидравлические потери и упростит конструкцию.

Внутренний диаметр  штуцера находится по формуле [2]:

 

                                      

где  d_шт  - внутренний диаметр штуцера, м;

        r₂   - плотность пара, кг/м³;

        W₂ – скорость пара, м/с.

                                

В качестве штуцеров можно  использовать трубу с размером:

                         D=63,5 х 4,0 мм (ГОСТ 8732-78)

 

2.2.Механический расчёт.

Целью механического  расчёта аппарата является проверка на прочность отдельных узлов  и деталей , и сводится к определению  их номинальных размеров, которые  должны обеспечить им необходимую долговечность.

Необходимость данного  расчёта в этом проекте отпадает по таким соображениям, что аппарат  выбранный для выполнения заданной задачи оговорен в ГОСТе  9930-78 из чего следует, что все необходимые  расчёты уже произведены их составителем и сборщик всегда может обратится к нему.

 

2.3.Гидравлический расчёт.

Гидравлический расчёт заключается в определении гидравлических потерь при движении сред через аппарат (величины потерянного напора).

Гидравлические потери определяются из уравнения [4]:

                          

где   Dp – гидравлические потери, Па;

         l - коэффициент трения о стенки;

         Sx - сумма местных потерь Sx = 2,0 (поворот в каланче на 180⁰)

Коэффициент гидравлического  трения для турбулентного режима находится, как [4]:

                                   l = 0,3164/Re^0,25   ,                 (21)

l = 0,3164/43469^0,25 = 0,0219

откуда

                     Dp =

Расчет на потери давления в межтрубном пространстве производить нет необходимости, так как по нему происходит свободное движение пара, а это означает отсутствие насоса и гидравлических потерь.

                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

 

 

В результате всех типов  расчета получено:

1. Выбран теплообменный аппарат типа "труба в трубе" состоящий из двух элементов по 6м каждый и диаметрами:

           d = 38 х 3,5 мм;   D = 76 х 4,0 мм  ( ГОСТ 9930 – 78 )

2. Результат теплотехнического расчета показал, что данный аппарат полностью подходит для решения данной технологической задачи.
3. Для преодоления гидравлических потерь пресная вода должна быть подана в аппарат под избыточным давлением, достаточным для преодоления гидравлического сопротивления, не ниже чем Dp = 127.1Па.
4. Для решения данной технологической задачи в аппарат необходимо подать насыщенный водяной пар при t = 150 ⁰С и G = 0,017 кг/с.
5. При эксплуатации в соответствии с заданными условиями аппарат может использоваться в течении 20 лет.
6. Для компенсации температурных напряжений необходимо предусмотреть линзовый компенсатор.
7. Для уменьшения температурных потерь через кожух, теплообменник нужно изолировать теплоизоляционным материалом.