Тепловой конструкторский расчет теплообменного аппарата

 

СОДЕРЖАНИЕ                                                                                                стр

 

 

 

                         Содержание                                                                                                            2                 

Введение                                                                                                                 3

1. Тепловой конструкторский расчет  теплообменного аппарата                       4

2. Гидравлический  расчет                                                                                    12

3. Прочностной расчет теплообменного  аппарата                                             16

3.1. Расчет толщины стенки                                                                        16

3.2. Расчет толщины эллиптического  днища                                                      17

3.3. Расчет трубной решетки                                                                                17

Заключение                                                                                                             24

Библиографический список                                                                                  25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

 

Кожухотрубный теплообменный аппарат предназначен для непрерывных технологических процессов. Аппарат данного типа может работать с тепло-носителями: жидкость-жидкость, жидкость-газ, газ-газ. Представляет собой устройство, выполненное из нескольких рядов труб, собранных при помощи трубных решеток в пучок и установленных в кожухе цилиндрической формы, закрытого с обеих сторон специальными отводами.

Концы труб могут крепиться различными способами: развальцовкой, сваркой, пайкой, герметичными сальниковыми уплотнителями.

Температуры греющего и нагреваемого теплоносителей различны, поэтому возникают напряжения в конструкции, что приводит к деформациям элементов теплообменника. Для компенсации этих напряжений и деформации применяют различные компенсаторы (линзовые), трубы выполняют U- или W-образные, теплообменники изготавливают с плавающими камерами  и сальниковыми уплотнителями.

В соответствии с заданием в курсовой работе произведем расчет аппарата с теплоносителями жидкость-жидкость. В качестве греющего теплоносителя является конденсат пара, в качестве нагреваемого теплоносителя является вода. Концы трубки в трубной решетки закрепим развольцовкой.

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕПЛОВОЙ КОНСТРУКТОРСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

 

 

 

Для выполнения теплового конструкторского расчета водо-водяного теплообменного аппарата примем давление греющего (вода) и нагреваемого (вода) теплоносителей равным 0,5 МПа.

Рассчитаем средние температуры теплоносителей:

средняя температура греющей воды

  ;                                                                                            (1.1)

Подставив значения, получим:

средняя температура нагревающей воды

                                                                                                                                    (1.2)

Подставив значения, получим:

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По этим температурам по таблице 1 определим для каждого теплоносителя коэффициент теплопроводности и , плотность и , коэффициент кинематической вязкости и , теплоемкость воды св  и ск.

При : , , , .

При : , , , .

Из уравнения теплового баланса

                                                (1.3)

  определим количество теплоты , воспринимаемое нагреваемой водой

                                                                                        (1.4)

Тогда, подставляя значения, получим:

.

и массовый расход греющего теплоносителя приняв коэффициент , учитывающий потери теплоты в окружающую среду равным 0,95-0,99

;                                                                                      (1.5)

Тогда:

Для определения количества трубок зададимся скоростью движения воды в трубках и определим режим течения воды в трубках

;                                                                                                  (1.6)

Согласно ГОСТ 21646-76 выбираем трубку диаметром с толщиной стенки .

 

 

 

 

Подставим значения:

,

где - внутренний диаметр трубок, м;

-коэффициент кинематической вязкости воды, м²/с.

Для заданной схемы движения теплоносителей (вода движется внутри трубок) и заданного наружного диаметра трубок определим общее число трубок одного хода подогревателя:

,                                                                                          (1.7)

где - плотность воды при , кг/м³.

Подставим значения:

.

При заданном расположении трубок в трубной решетке определим по    таблице 2 действительное значение числа трубок и относительный диаметр трубной решетки D’/S=8.

Определим диаметр трубной решетки

.                                                                                                   (1.8)

Тогда:

,

где S=1,2d=30мм

Определим внутренний диаметр корпуса

,                                                                                           (1.9)

где k – кольцевой зазор между крайними трубками и кожухом принимается из конструктивных соображений, но не менее 6 мм.

Подставляя значения, получаем:

,

 

 

 

Рассчитанное значение внутреннего диаметра корпуса округляем до ближайшего стандартного размера D=300мм.

При расположении труб по вершинам равностороннего треугольника число шестиугольников для размещения труб равно

                                                                                        (1.10)

Подставляя значения, получаем:

                                   .

Число труб по диагонали наибольшего шестиугольника составит

                                                                                               (1.11)

Тогда:

                                .

Общее число труб в шестиугольниках

                                                                       (1.12)

     Для определения                                                                      

коэффициента теплопередачи определим предварительно коэффициенты теплоотдачи с разных сторон трубки.

По ранее определенному режиму течения воды внутри трубок (турбулентный режим) найдем критерий Нуссельта по формуле

,                                                                           (1.13)

где  Pr – число Прандтля для воды определяемое по таблице 1 в зависимости от температуры;

ε1 – поправочный коэффициент, при соотношении  длины трубок к их диаметру l/d>50, ε1=1.

Тогда:

 

 

 

 

 

Из критериального уравнения Нуссельта определим коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки трубок к воде

,                                                                                               (1.14)

Подставим значения:

Найдем скорость движения воды в межтрубном пространстве.

Для этого рассчитаем площадь межтрубного пространства и площадь, занятую трубами.

Площадь поперечного сечения корпуса с D=0,3м

                                                                                                   (1.15)

Тогда:

.

Площадь занятая трубами:

                                                                                                (1.16)

Подставим значения:

.

Площадь в межтрубном пространстве:

                                                                                                   (1.17)

Тогда:

.

Скорость воды в межтрубном пространстве:

;                                                                                                  (1.18)

 

 

 

Тогда:

.

Для определения коэффициента теплоотдачи от греющей воды к трубкам найдем число Рейнольдса

,                                                                                               (1.19)

где dэ – эквивалентный диаметр, м, рассчитываем по формуле

;                                                                                                    (1.20)

                                                                                          (1.21)

Подставим значения в формулы (1.19), (1.20), (1.21):

.

.

.

Число Рейнольдса соответствует турбулентному режиму течения воды. Критерий Нуссельта определим по формуле

,                                                                            (1.22)

где Pr – число Прандтля для воды определяемое по таблице 1 в зависимости от температуры;

εl – поправочный коэффициент, при соотношении длины трубок к их диаметру l/d>50, εl=1;

Подставим значения в формулу:

.

Тогда коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке трубок:

,                                                                                               (1.23)

 

 

Подставим значения в формулу:

Коэффициент теплопередачи через стенку трубки вычисляем по формуле

,                                   (1.24)          

  где  – средний диаметр трубки, м;

- теплопроводность материала трубок, Вт/(м°С);

- термическое сопротивление загрязнения  трубок.

                                                                                  (1.25)             

Подставим данные в формулу (1.25):

Подставим значения в формулу (1.24):

Поверхность нагрева подогревателя:

,                                                                                                 (1.26)

где - средняя логарифмическая разность температур (температурный напор) определяемый по формуле для различных схем движения теплоносителей прямоток или противоток

Тогда площадь поверхности нагрева:

 

 

 

 

Длина трубок

;                                                                                               (1.27)

Тогда:

.

Так как величина длины трубок L оказалась больше рекомендуемой длины прямого участка, устанавливаемой из условия расчета тонких сосудов находящихся под давлением (не более 6 м), то устанавливаем два теплообменников длиной 5,2 м.

Для расчета диаметров штуцеров аппарата принимаем скорость воды в штуцере нагреваемой воды и в штуцере греющей воды

Получим:

;                                                                                                  (1.28)

Тогда:

                                                                                              (1.29)