Теплообміник для охолодження сумішей метанол - вода

 

назву автоклавів, полімеризаторів, та ін.

Апарати теплообмінні листові

Спіральний теплообмінник  виготовляють з поверхнею теплообміну 10-100 м2; вони працюють як під вакуумом, так і при тиску до 1 МПа при температурі робочого середовища 20-200 ° С. Їх можна використовувати для реалізації теплообміну між робочими середовищами рідина-рідина, газ-газ, газ-рідина, а також конденсації парів і парогазових сумішей. Все більшого поширення цих теплообмінників останнім часом пояснюється головним чином простотою виготовлення і компактністю конструкції. У такому апараті один з теплоносіїв надходить у периферійний канал апарату і, рухаючись по спіралі, виходить з верхнього центрального каналу. Інший теплоносій надходить у нижній центральний канал і виходить з периферійного каналу. Площа поперечного перерізу каналів у такому теплообміннику по всій довжині постійна, тому він може працювати з забрудненими рідинами (забруднення змивається потоком теплоносія).У спіральних теплообмінниках поверхню теплообміну утворена двома сталевими стрічками 1, 2 товщиною 3,5-6 мм і шириною 400-1250 мм, згорнутими в спіраль так, що виходять канали а і б прямокутного профілю, за якими противоточно рухаються теплоносії .Перший (від центру апарату) виток спіралі закріплений розпірними дисками 4, які фіксуються поздовжніми розпірками 3. На поверхні спіралі з кроком 70-100 мм приварені штифти 6 для додання теплообміннику жорсткості. Крім штифтів при навивання спіралі між її витками встановлюють смугові дистанційні вставки 5. Ці вставки разом зі штифтами забезпечують необхідний зазор між стрічками, який для стандартних теплообмінників складає 8-12 мм. З торців апарат закритий кришками на прокладках. Залежно від способу ущільнення спіральних каналів з торців розрізняють теплообмінники з тупиковими і наскрізними каналами. Тупикові канали утворюють приварюванням смугових вставок до торця спіралі; із торців канали закриті кришками з прокладкою. Після зняття кришок і прокладок обидва канали можна прочистити. Такий спосіб ущільнення каналів виключає можливість змішування теплоносіїв при прориві прокладки і тому найбільш поширений. Наскрізні канали з обох торців закриті кришками з прокладками, легко піддаються

 

чищенню, але не виключають можливість змішування теплоносіїв.

Рис.2.7. Спіральний теплообмінник

Вибір теплообмінного апарату, вибір оптимальної конструкції теплообмінника є завданням, дозволеної техніко-економічним порівнянням декількох типорозмірів апаратів стосовно до заданим умовам або на підставі критерію оптимізації.На поверхню теплообміну і на що відноситься до неї частку капітальних витрат, а також на вартість експлуатації впливає недорекуперація теплоти. Чим менше

величина недорекупераціі  теплоти, тобто чим менше різниця  температур гріючого теплоносія на вході і нагрівається теплоносія на виході при протитоку, тим більше поверхня теплообміну, тим вище стійкість апарату, але тим менше експлуатаційні витрати. Звичайно, має бути певний оптимум збільшення капітальних і зниження експлуатаційних витрат, який можна визначити графічно. Відомо також, що із збільшенням числа і довжини труб у пучку й зменшенням діаметра труб знижується відносна вартість 1 м2 поверхні кожухотрубчасті теплообмінника, так як при цьому знижується загальна витрата металу на апарат в розрахунку на одиницю поверхні теплообміну. Слід мати на увазі, що зі збільшенням числа труб збільшується ймовірність порушення щільності їх кріплення в трубній решітці, а із застосуванням труб малого діаметра збільшується їх засоряемость і ускладнюється чистка.

При виборі типу теплообмінника можна керуватися наступним рекомендаціями.

1. При обміні теплотою  двох рідин або двох газів  доцільно вибрати секційні (елементні)  теплообмінники; якщо через велику  поверхні теплообмінника конструкція  виходить громіздкою, можна прийняти до установки багатоходової кожухотрубчасті теплообмінника.

2. При підігріві рідини  парою рекомендуються багатоходові  по трубному простору кожухотрубчасті  апарати з подачею пари в  Міжтрубний простір.

3. Для хімічно агресивних  середовищ і при невеликих теплових продуктивності економічно доцільні сорочкові, зрошувальні та заглибні теплообмінники.

4. Якщо умови теплообміну  по обидві сторони тепло-передавальної  поверхні різко різні (газ і  рідина), повинні бути рекомендовані  трубчасті ребристі теплообмінники.

5. Для пересувних і  транспортних теплових установок,  авіаційних двигунів і кріогенних  систем, де при високій ефективності  процесунеобхідні компактність  і мала маса, знаходять широке  застосуванняпластинчасті ребристі  теплообмінники.

6. У всіх випадках необхідно прагнути вибирати найбільш прості по конструкції і найбільш дешеві за матеріалами теплообмінники. До ускладненим апаратів (з плаваючою камерою, з сильфонних компенсаторів, спіральним), а також з латунними або мідними трубами слід вдаватися лише в разі обгрунтованої необхідності.

Виходячи з усього перерахованого для даних умов був обраний двох ходовий кожухотрубний теплообміник.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                    

3.Розрахунки:

Вихідні дані для розрахунку:

Прийнятна товщина стінки: S/S1:

- обичайки корпусу: S/S1=0.8см;

- днище:  S/S1=0.8cм;

Внутрішній діаметр: Д:

 - обичайки корпусу: Д=30.9см;

- днище: Д=30.9см;

Розрахунковий тиск: Р_р:

- обичайки корпусу: Рр=16Кг/cм²;

- днище: Р_р=16Кг/_cм2;

Марка матеріалу: сталь:

-обичайки корпусу: _;

 

- днище: ВСт3СП5:

Допустимі нормативні навантаження: ^*:

-обичайки корпусу: Ϭ^*= кгс/м²;

- днище: Ϭ^*= 1340 кгс/м²;

Розрахункова температура: t^o:

-обичайки корпусу: t^o=100C^o;

- днище: t^o=100C^o;

Прибавка до розрахункової  товщини на корозію: С:

-обичайки корпусу: С=0.1см;

- днище: С=0.1см;

Додаткова добавка: С₁:

-обичайки корпусу: С₁=0.1см;

- днище: С₁=0.1см

Коефіцієнт міцності поздовжнього зварювального шва: φ:

-обичайки корпусу: φ=^0.8/_1.0

- днище: φ=1.0

Поправочний коефіцієнт для допустимих напружень: ƞ:

-обичайки корпусу: ƞ=0.9

- днище: ƞ =0.9

Радіус кривизни у  вершині днища 30.9

 

Всі інші необхідні дані приймаємо самостійно по ходу розрахунку.

 

1.1Розрахунок товщини стінки обичайки, корпуса працюйочого під внутрішнім тиском.

1. Обчислюється за формулою:

+С+С₁

 

Де     Ϭ_доп = Ϭ^*. ɳ                          

         Ϭ_доп =1520 ⋅ 0.9 =1368^кгс/см²

 

                      

 

 

Приймаємо S=0.8см.

 

Формула прийнята при  виконані умов:

 

   

  

 

 

 

Умови виконуються

 

1.2.Розрахунок товщини  стінки обечайки камери, працюючої під внутрішнім  тиском,виконується за формулою.

+С+С₁

де: Ϭ_доп =Ϭ^*⋅ ɳ

 

      Ϭ_доп =1420⋅0.9 = 1278^кгс/_см²

 

 

Приймаєм S= 0.8см

Формула прийнята при виконані умов:

 

  

 

 

 

Умови виконуються

 

1.3. Розрахунок товщини стінок еліптичного днища, працюючого під внутрішнім тиском, проводиться за формулою:

 

 

 

 

Для стндартних еліптичних днищ при Н=0.25Д і R=Д

де: H=7.3см – внутрішня висота еліптичної частини днища.

де: Ϭ_лоп. = Ϭ^*⋅ ɳ

Ϭ_доп. =1340⋅0.9=1206 кгс/м²

 

 

Приймаємо S=0.8

 

Формула прийнята при  виконані умов:

 

 

                

                               Н ≥ 0.2⋅Д                7.3 > 0.2 ⋅ 30.9.

 

                                                               7.3 > 6.18

 

 

4.Розрахунок укріплення отвертий

 

Межі використання розрахункових  формул обмежується умовами:

 

а) в обичайці корпуса камери

 

 

            

 

 

де d – внутрішній діаметр штуцера

 

 

          

 

 

 

 

 

 

 

 

S_p – розрахункова товщіна стінкі обичайки.

 

При φ=1 і С=С₁=0

 

Д_р - розрахунковий діаметр.

 

Для циліндричних обичайок Д_р=Д

 

Для корпуса (камери).

 

 

 

 

 

 

 

Максимальний діаметр отвору в  обичайці камери і корпусу 9.8см що менше  допустимого неукріпленого отвору (d₀), тому штуцер в обичайці корпуса і камери Д_у 100допоміжному укріпленою не підлягає.

Розрахунок проведений на основі ГОСТ 14249-73. Норми і методи розрахунку на міцність ОСТ 26-771-73 « Методи розрахунку укріплення отворів в обичайках, переходах і днища»

Розрахунок трубної решітки

Розрахунковий тиск, МПа, при розрахунку трубної решітки вибираєм за більшим з трьох наступних значень:

                                                              

де: Рм, Рт — тиск в міжтрубному и трубному просторах відповідно,

 МПа; Рм.п =1,5×Рм, Рт.п=1,5Pт — пробний тиск при гідравлічному опору в міжтрубному просторі і в трубах,

 Мпа; r — відношення жорстості трубок к жорсткості кожуха; g — розрахунковий температурный коэффициент; к — модуль пружності системи трубок,

Мпа/м; l— розрахункова довжина корпуса, рівна довжені труб, м; a — коэффициент перфорации.

Коэффициент,  вираючій відношення жорсткості трубок  до жорсткости кожуха, находимо по формулі

                                                                                         

де: Ет, Ек — модули упругости материала трубок и кожуха (для латуні — Е = 1,078×10⁵ МПа; для стали — E = 2,058×10⁵ Мпа);

 Fт, Fк — площа січения стінок трубок и кожуха, м². Площа січения стінок трубок, м², розраховуєм:

Fт=0,25pn×(d²_нар-d²_вн) ;

Fт =0,25×3,14×37(0,016²-0,014²)=0,0017м²

де: n –кількість трубок, шт.; d_вн, d_нар — внутрішній і зовнішній диаметр трубок, м.

   Площа січеня стінок кожуха, м2:

                                                                              

Тоді

 

Розрахунковий температурній коэффицієнт находимо по формулі:

 

 

      

                                                    

 

де: t_т, t_к — температури трубок и кожуха,

°С; a_т, a_к — коэффіцієнти лінійного удовження трубок и кожуха відповідно,

для сталі a_т=a_к=11,8×10^-6 1/°С.

Температуру кожуха приймаем:

                                                                                         

Температура трубок:

 

Модуль пружності системи трубок, МПа/м, розраховують

                                                                                           

 

де l — довжина трубок, м; a =D_а.вн / 2 = 0,2/2 =0,1 м — внутрішній радиус корпуса, м.

 

 

Коэфициент перфорациї визначають за формулою

                                                                                       

Тоді розрахунковий тиск, МПа, будуть найдені за формулою:

Приймаєм розрахунковий тиск Р_р =2 МПа. Товщину трубної решітки розраховують: