Многоходовый кожухотрубный теплообменник

пара Р;

    -температура пленки конденсата;

кДж/кг – теплота теплообразования;

 

4.1 Определение количества переданной теплоты Q и расход греющего пара Д определяем из теплового баланса:

 

                                           Q = =                                                (5)

 

Где = Д r – приход тепла с греющим паром при конденсации водяного насыщенного пара, Вт;

Д – расход греющего пара, который необходимо определить, кг/с;

= G () – количество теплоты, которое забирает вода и

нагревается от начальной температуры до конечной температуры Вт;

G=V   -весовой расход воды, кг/с;

V=объемный расход воды, кг/с;

– плотность воды, кг/м3;

– средняя удельная теплоемкость воды, Дж/кг град.

C учетом теплопотерь в окружающую среду в размере 5% возрастает на коэффициент 1,05

Тогда Q определяем по формуле:

Q= = 1.05 G Cср (), (6) 

=1,0594180 (83-17)=8400

=; Д r = 1.05 G Cср), откуда:

 

 

 

 

 

4.2. Определение средней движущей силы процесса теплопередачи

 

        В расчетной практике рекомендуется определять среднюю разность температур, так же как при противотока, а значение вводить поправку в виде коэффициента E т.е.

= Е

В случае конденсации пара на трубках расчет будет одинаков, как для прямотока, так и для противотока, а значение коэффициента Е можно принять равным 1, т.е. Е=1

Для определениястроим график изменения температур теплоносителей, как это показано на рисунке, определим , , их отношение и по среднеарифметической формуле (8) или (9).

 

 

 

 

 

     133

                                       

       83                                                          t2

 

      

       17        t1

                                                                              

 

Рисунок 2-график изменения температур теплоносителей

 

Для нашего случая горячей теплоноситель не изменит своей температуры, т.к. процесс теплоотдачи идет при конденсации пара.

Температура холодного теплоносителя возрастает от до

Температура конденсации горячего теплоносителя определяют по

давлению греющего пара.

 

Если , то

 

Так как в нашем случае

 меньше 2 или  больше 2 , то  определяем по формуле (8) или (9)

 

4.3. Расчет коэффициента теплоотдачи пара к стенке трубок.

 

Рассчитываем коэффициент со стороны греющего пара для случая конденсации на пучке n вертикальных труб высотой Н.

 

=2,04 ;   BT (10)

 

 

Значения функции At для воды при температуре конденсации пара приведены в таблице

Температура конденсации пара ,	100	110	120	140	160	180
	6960	7100	7240	7340	7490	7520

 

. - физические параметры  в единицах Си (см. приложения) при

температуре пленки конденсата;

t – перепад температур  между греющим паром и станками  трубок (принимают в пределах от 3 - 8C). О правильности расчетов судят сопоставляя полученное значение и его предельные величины. Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара лежат в пределах =4000-15000 Вт/(м2 )

 

4.4. Определение критериев Рейнальдса (Re), Прандтля (Pr), Нуссельта(Nu) и коэффициента теплоотдачи от стенки трубок в воде.

 

Критериальное уравнение, которое лежит в основе определения коэффициента теплоотдачи имеет вид:

 

                                  Nu = A                                                  (11)

 

Где A, m, n - коэффициент и показатели степени , величины которых зависят от числа Re и режима ввода жидкости;

 

Re = – критерий Рейнальдса, который характеризует соотношения между силами инерции и силами трения. В зависимости от числа Re имеет тот или иной режим движения жидкости и, следовательно, то или иное критериальное уравнение (11).

 

Re=1=37769

Здесь V=1м/с – средняя скорость движения воды в трубном пространстве на 1 ход (задана);

=0,025-20,002=0,021 м – внутренний диаметр нагревательной трубы (задан).

Pr = - критерий Прандтля. Он характеризует соотношение физических величин теплоносителя.

Pr=

 

ρ, μ, V, Сср, λ – плотность, вязкость, теплоемкость и теплопроводность воды при средней температуре.

При значениях Re> имеет место устойчивый турбулентный режим движения воды. В этом случае критериальное уравнение имеет вид:

 

                                      Nu = 0.023 (12)

 

                               Nu=0,023

 

Критерий Нуссельта характеризует теплоотдачу и связан с коэффициентом выражением:

 

           Nu = . =5608  Вт/( К)                               (13)

 

4.5. Определение коэффициента теплопередачи К от пара к воде.

 

С учетом знаний и толщины стенки трубки б = 0,002 м и ее теплопроводности λср = 4605 Вт/(м К), определяем коэффициент К по выражению  (4)

 
, Вт/( К)

 

К=

 

Сопоставляет полученное значение К с пределами для К. Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи от конденсирующегося пара к воде лежат в пределах К = 800-3500 Вт/(м2 К)

 

4.6. Определение поверхности теплообменника F.

 

Поверхность теплообменника определяем из основного уравнения теплопередачи по выражению (3)

 

F=

 

F=

 

 

 

 

 

 

5. Конструктивный расчет теплообменника.

 

5.1. Определение общего количества трубок в теплообменнике.

 

n =

 

n =

Где F – поверхность теплообменника, м2

- боковая поверхность  одной нагревательной трубки,

= 0,025 м – наружный  диаметр трубки (задан);

Н=2,5м – высота трубки, м (задана).

 

5.2. Определение количества трубок на один ход теплообменника.

 

Количество трубок на 1 ход теплообменника можно определить из уравнения неразрывности потока, если задана скорость воды на один ход (υ=1м/с) и внутренний диаметр трубки (= 0,021 м) а именно:

 

                                       V=υ S                                                           (14)

 

Где V = - объемный расход воды, м3/с;

G – весовой расход  воды, кг/с (задан);

Ρ – плотность воды, кг/м3 при tср;

υ = 1 м/с – средняя скорость воды на 1 ход (задана);

S = - площадь живого сечения  трубного пространства на 1 ход ,

= число трубок  на один ход, шт.

Таким образом, при υ = 1 м/с имеем V=S или

 

 

V =,      откуда =

 

 

 

5.3. Определение числа ходов теплообменника Z и уточнение числа

трубок n.

 

Предварительное число ходов можно определить отношением общего количества трубок n к количеству трубок на один ход, т.е. Z =

Реальное число ходов в теплообменнике должно быть четным, т.е. Z = 2, 4 и т.д.

Принимаем Z = 2 и пересчитываем на реальное число труб, взяв за основу и Z = 2.

 

   N = Z (16)

 

В последующих расчетах используют число трубок n по формуле (16).

 

5.4.Определение внутреннего диаметра корпуса теплообменника Дв.

Дв определяют по формуле:

                                               Дв = 1,1 t                                               (17)

 

                                               Дв=1,1

 

Где t = (1,2-1,4), но не менее, чем t= = 25 мм равен 32 мм.

Принимаем t = 32 мм.

 

n – число трубок по  формуле (16);

= 0,6-0,8 – коэффициент заполнения  трубной решетки.

Принимаем = 0,7.

После расчета Дв по формуле (17) принимаем ближайшее большее значение

  Дв трубы по ГоСТу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Прочностной расчет теплообменника.

 

6.1. Определение толщины стенки корпуса теплообменника

 

Толщину стенки корпуса теплообменника бк определяют с учетом давления греющего пара Р ( кгс/), величины Дв(см), допускаемого напряжения для стали = 890-950 кг/ по формуле:

 

=+С                                                     (18)

 

=

 

где = 0,9 – коэффициент прочности сварного шва;

= 900 кг/см2(принимаем) – допускаемое напряжение для  стали;

С = (0,2-0,8)см – прибавка на коррозию.

Определив по формуле (18), окончательно принимаем нормализованную толщину стенки.

 

6.2. Определение толщины стальных трубных решеток

 

Трубные решетки изготавливаются из листовой стали. Толщина стальных трубных решеток берется в пределах (15 – 35)мм и выбирается в зависимости от диаметра развальцованных трубок и шага трубок в решетке t. При заданном шаге t толщина должна быть не менее, рассчитанной по формуле:

=                                                             (19)

 

=

 

C учетом сказанного, окончательно  принимаем толщину трубной решетки, = 25 мм.

 

6.3. Расчет фланцевых соединений.

 

При расчете фланцевых соединений задаемся размером стягивающего болта. Принимаем во фланцевом соединении для аппаратов Дв = 300-2000 мм стальной болт М16.

Определяем допустимую нагрузку на один болт при затяжке

==                     (20)                                                   

где = 1,4 см – внутренний диаметр резьбы болта;

= 0,2 см – конструктивная  прибавка для болтов из углеродистой стали;

= 900 кг/ – допустимое напряжение на растяжение.

Шаг между болтами ≤ 5d, т.е. менее 80 мм.

Принимаем=65 мм.

Тогда определяем количество болтов

 

=                                                       (21)

 

== 32

 

= 25 мм принимаем конструктивно  так, чтобы удобно было работать ключом на фланцах.

 

                                   

 

Рисунок   3 –Фланцевое соединение. Число болтов фланцевого соединения принимают кратным четырем, т.е.   = 4,8,12 и т.д.

Определив по формуле (21) и с учетом сказанного, окончательно принимаем .

Определяем нагрузку на все болты фланцевого соединения (см.рисунок)по формуле:

 

=           =1017

 

Фланец рассчитывают на изгиб под действием силы по формуле:

=

 

Где l = 25 мм = 2,5 см – плечо силы. Размер l = 25 мм выбран из

конструктивных соображений и удобства работы с гаечным ключом.

Напряжение изгиба во фланце

 

                                    ==(22)

 

Где W=  =  - момент сопротивления 

                   

Допустимое напряжение рекомендуется принимать не менее

чем с двукратным запасом, т.е для стальных фланцев

 

 

Тогда можно определить минимальную толщину фланца h из формулы(22):

 

                                  450 =

Откуда

 

                                  h =                                                          (23)

 

где = ( + 2)-наружный диаметр корпуса теплообменника, см.

 

=61,6+2

 

h=25