Задание

на курсовую работу по курсу

«ТЕПЛОМАССООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ»

I. Общая формулировка задания:

Произвести расчет

Парового подогревателя сетевой воды горизонтального типа

II. Исходные данные:

1. Расход греющего теплоносителя: G₁ = т/ч (водяной пар)

2. Расход нагреваемого теплоносителя: G₂ = 100 т/ч (сетевая вода)

3. Давление греющего теплоносителя: Р₁ = 0,25 МПа

4. Давление нагреваемого теплоносителя: Р₂ = 1,4 МПа

5. Температура греющего теплоносителя:

на входе: t_1н = t_1нас ^оС на выходе: t_1к = t_1нас – 5 ^оС

6. Температура нагреваемого теплоносителя:

на входе: t_2н = 50 ^оС на выходе: t_2к = 110 ^оС

7. Геометрия поверхности теплообмена: Кожухотрубчатый аппарат

III. Объем задания:

Расчеты

1. Краткое описание конструкции аппарата и поверхности теплообмена.

2. Тепловой и конструктивный расчеты аппарата.

3. Прочностной расчет основных элементов аппарата.

4. Аэродинамический и гидравлический расчеты аппарата.

5. Расчет тепловой изоляции.

Графическая часть

Продольный и поперечный разрезы теплообменника (сборочный чертеж).

Всего 1 лист формата А1.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АППАРАТА
2. ТЕПЛОВОЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТЫ
	2.1 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО И МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА
		Температурно-энтальпийный режим по греющему теплоносителю
		Температурно-энтальпийный режим по нагреваемому теплоносителю
		Теловой и материальный баланс аппарата
	2.2. РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА
		Расчет среднего температурного напора
		Определение теплофизических свойств теплоносителей
		Выбор параметров труб аппарата и расчет числа труб
		Предварительный компоновочный расчет
		Расчет коэффициента теплоотдачи от пара к стенкам трубок
		Расчет коэффициента теплоотдачи от стенок трубок к воде
		Расчет коэффициента теплопередачи от пара к воде
		Расчет требуемой площади поверхности теплообмена и длины труб
3. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ
	3.1. ВЫБОР МАТЕРИАЛА
	3.2. РАСЧЕТ ПАТРУБКА ДЛЯ ВОДА ПАРА
		Расчет внутреннего диаметра
		Расчет толщины стенки
		Выбор фланцев для присоединения трубопровода
	3.3. РАСЧЕТ ПАТРУБКА ДЛЯ ВЫВОДА КОНДЕНСАТА
		Расчет внутреннего диаметра
		Расчет толщины стенки
		Выбор фланцев для присоединения трубопровода
	3.4. РАСЧЕТ ПАТРУБКОВ ДЛЯ ВВОДА И ВЫВОДА ВОДЫ
		Расчет внутреннего диаметра
		Расчет толщины стенки
		Выбор фланцев для присоединения трубопровода
	3.5. РАСЧЕТ ОБЕЧАЙКИ
		Расчет толщины стенки
		Проверка отверстий под патрубки на необходимость укрепления
		Расчет наружного диаметра и длины
	3.6. РАСЧЕТ ДНИЩ
	3.7. ВЫБОР ФЛАНЦЕВ КОРПУСА И ВОДЯНЫХ КАМЕР
	3.8. РАСЧЕТ ТРУБНЫХ ДОСОК
		Расчет толщины трубных досок
	3.9. ПОДБОР ЛИНЗОВОГО КОМПЕНСАТОРА
4. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТЫ
	4.1. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
	4.2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
		Потери давления вследствие трения
		Потери давления вследствие преодоления местных сопротивлений
		Расчет мощности привода насоса
5. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
		Использованная литература

1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АППАРАТА

Сетевые подогреватели служат для подогрева паром отборов турбины сете­вой воды, используемой для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения потребителей.

Небольшие сетевые подогревательные установки теплопроизводительностью не более 20 МВт имеются практически на всех конденсационных электро­станциях для отопления жилых поселков. Для подогрева воды здесь использу­ется пар нерегулируемых отборов с давлением 0,05…0,15 МПа, а в холодное время года для пикового подогревателя – 0,4…0,6 МПа. Обычно на ГРЭС се­тевые подогреватели устанавливаются на одной-двух турбоустановках первой очереди строительства.

Количество теплоты, передаваемое сетевой воде в сетевых подогревателях, зависит от графика отпуска теплоты потребителям и принятого значения коэф­фициента теплофикации.

Поверхность трубного пучка горизонтального подогревателя образована прямыми латунными трубками, концы которых развальцованы в трубных досках. Патрубки подвода и отвода подсоединяются к передней камере. В этой же камере устанавливают­ся перегородки для образования ходов воды. В крышке передней камеры пре­дусмотрены лазы для осмотра и очистки внутренних поверхностей трубок. Пат­рубки подвода и отвода воды располагаются под углом к вертикальной оси по­догревателя с целью удобства компоновки подводящих и отводящих труб диа­метром 1000…1200 мм.

Задняя (поворотная) водяная камера также имеет внутренние перегородки для образования ходов воды. Для компенсации температурных расширений тру­бок на корпусе подогревателя со стороны поворотной камеры установлен двой­ной линзовый компенсатор. Крышка задней камеры, как и передней, имеет лазы (обычно два) для осмотра и очистки внутренних поверхностей трубок.

Паропроводы к корпусу присоединяются через специальные диффузоры, внутри которых установлены концентрические рассекатели. Рассредоточение подвода пара по длине в сочетании с входными устройствами позволяет обес­печить равномерное распределение греющего пара по длине поверхности теплообмена. В первом ряду трубного пучка (по периферии) со стороны входа пара устанавливаются отбойники из стальных трубок для уменьшения эрозии по­верхностей нагрева. По длине подогревателя в его паровом пространстве раз­мещаются промежуточные перегородки, являющиеся дополнительными опора­ми для трубок. Перегородки устанавливаются на определенном расстоянии друг от друга, чтобы исключить опасные с точки зрения повреждения труб фор­мы колебаний при их вибрации.

Трубный пучок в корпусе подогревателя располагается эксцентрично, что позволяет создать внутри подогревателя в зоне, прилегающей к месту ввода па­ра, симметричный клиновой раздающий коллектор, охватывающий пучок. Это обеспечивает улучшение распределения парового потока по наружному конту­ру трубного пучка и одновременно облегчает доступ пара в глубину пучка через имеющиеся в нем специальные проходы, связанные с коллектором.

Паровоздушная смесь отводится из подогревателя через воздухоохладитель (специально выделенный трубный пучок). Конденсат греющего пара с поверх­ности труб сливается в нижнюю часть корпуса, а оттуда – в конденсатосборник. Конденсатосборник соединен с подогревателем трубами, в которых уста­новлены специально спрофилированные сопла (воронки), имеющие высокий коэффициент расхода при стекании конденсата в конденсатосборник и низкий коэффициент расхода при его движении в обратную сторону. Этим ограничи­вается поступление в корпус подогревателя и в отбор турбины вторичного пара, образующегося в конденсатосборнике от вскипания находящегося в нем кон­денсата при сбросах нагрузки турбины.

2. ТЕПЛОВОЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТЫ

Цели расчета:

1. – составление теплового и материального балансов

2. – определение и проходного сечения для воды

3. – определение площади поверхности теплообмена

4. – выбор важнейших характеристик принимаемого к установке аппарата

(диаметров и толщины стенок теплообменных труб, числа труб и их длины, числа ходов труб и размещения труб в трубной доске)

5. – определение параметров корпуса аппарата (диаметра, толщины стенки)

6. – при необходимости выбор числа устанавливаемых аппаратов и схемы установки, расчет скоростей движения теплоносителей и иные уточнения

2.1. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО И МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА

Рисунок 1
Горизонтальный пароводяной подогреватель
схематичное движение греющего и нагреваемого теплоносителя

Расчет выполним на основании уравнения:

в этом уравнении:

Q –	тепловая мощность аппарата	кВт
G1 –	расход греющего теплоносителя	кг/с
h1н –	энтальпия греющего теплоносителя на входе	кДж/кг
h1к –	энтальпия греющего теплоносителя на выходе	кДж/кг
η –	коэффициент удержания теплоты изоляцией
G2 –	расход нагреваемого теплоносителя	кг/с
h2к –	энтальпия нагреваемого теплоносителя на выходе	кДж/кг
h2н –	энтальпия нагреваемого теплоносителя на входе	кДж/кг

Температурно-энтальпийный режим по греющему теплоносителю

Принимаем условие, что поступающий в аппарат сухой насыщенный пар конденсируется, а затем конденсат изобарно охлаждается до температуры на Δt = 5 ^оС более низкой в сравнении с температурой конденсации.

Начальное состояние греющего теплоносителя:

СУХОЙ НАСЫЩЕННЫЙ ПАР, Р_1н = 0,25 МПа

Промежуточное состояние греющего теплоносителя:

НАСЫЩЕННАЯ ЖИДКОСТЬ, Р₁ = Р_1н = 0,25 МПа

Конечное состояние греющего теплоносителя:

НЕНАСЫЩЕННАЯ ЖИДКОСТЬ, Р_1к = Р_1н = 0,25 МПа, t_1к = t_1н – Δt

Температуру водяного пара и конденсата в состоянии насыщения определяем по давлению по таблице свойств водяного пара в состоянии насыщения:

t_1н = t₁ = t_нас = 127,4 ^оС

Удельную энтальпию водяного пара и конденсата в состоянии насыщения определяем по таблицам свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения по найденной температуре:

h_1н = h″ = 2717 кДж/кг

h₁ = h′ = 535,4 кДж/кг

Температуру конденсата на выходе из аппарата рассчитываем по ранее приведенному уравнению:

t_1к = t_1н – Δt = 127,4 – 5 = 122,4 ^оС

Энтальпию конденсата на выходе из аппарата принимаем с учетом того, что ее величина для ненасыщенной жидкости мало зависит от давления, а определяется только температурой, находим по таблицам свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения по найденной температуре:

h_1к = 514,0 кДж/кг

Температурно-энтальпийный режим по нагреваемому теплоносителю

Фазового перехода нагреваемый теплоноситель не претерпевает

Начальное состояние нагреваемого теплоносителя:

НЕНАСЫЩЕННАЯ ЖИДКОСТЬ, Р_2н = 1,4 МПа, t_2н = 50 ^оС

Конечное состояние нагреваемого теплоносителя:

НЕНАСЫЩЕННАЯ ЖИДКОСТЬ, Р_2к = Р_2н = 1,4 МПа, t_2к = 110 ^оС

Удельную энтальпию подогреваемой сетевой воды принимаем с учетом того, что ее величина для ненасыщенной жидкости (при 1,4 МПа температура насыщения составляет 195 ^оС) мало зависит от давления, а определяется только температурой, находим по таблицам свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения по заданной температуре:

h_2н = 209,3 кДж/кг

h_2к = 461,4 кДж/кг

Теловой и материальный баланс аппарата

Рассчитываем количество теплоты, требуемое на подогрев сетевой воды без учета тепловых потерь:

Q₂ = G₂ ∙ (h_2K – h_2H) = 100 ∙ (461,4 – 209,3) = 25210 МДж/ч = 7002,8 кВт

То есть, тепловая нагрузка на аппарат без учета потерь равна:

Q = Q₂ = 25210 МДж/ч = 7002,8 кВт

Рассчитываем расход греющего пара, принимая допущение, что тепловые потери составляют 2% от прихода теплоты,

то есть, расчет выполним, принимая, что η = 0,98:

Определяем характер работы аппарата

Доля теплоты, передаваемая сетевой воде при конденсации греющего пара:

Доля теплоты, передаваемая сетевой воде при охлаждении конденсата пара:

С учетом выполненных расчетов (более 99% тепловой нагрузки на аппарат приходится на теплоту конденсации) можно сделать вывод, что аппарат работает практически как конденсатор.

2.2. РАСЧЕТ ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА

Расчет выполним на основании уравнения:

в этом уравнении:

Q –	тепловая мощность аппарата	кВт
Δt –	Средний температурный напор	oC
К –	Коэффициент теплопередачи	Вт/(м2∙К)

Расчет среднего температурного напора

Принимаем противоточный характер движения теплоносителей в теплообменном аппарате

Для расчета Dt изобразим графически характер изменения температур теплоносителей при противотоке:

Рисунок 2
Схема температурного режима
характер изменения температур теплоносителей при противотоке

С учетом выше сказанного из графика находим:

Максимальный теплоперепад: Dt_max = t₁ – t_2н = 127,4 – 50 = 77,4 ^оС

Минимальный теплоперепад: Dt_min = t_1н – t_2к = 127,4 – 110 = 17,4 ^оС

Так как:

то для расчета среднего температурного напора при противотоке используем следующее уравнение:

Определение теплофизических свойств теплоносителей

Данные параметры зависят от температуры

Рассчитываем среднюю температуру греющего теплоносителя:

С учетом того, что аппарат работает практически как конденсатор имеем

Плотность конденсата и пара, коэффициент теплопроводности, удельную теплоту парообразования и коэффициент кинематической вязкости конденсата в состоянии насыщения определяем по таблицам свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения по найденной температуре:

ρ′, кг/м3	ρ″, кг/м3	r, кДж/м3	v, м2/с	λ, Вт/(м∙К)
937,2	1,391		0,232 ∙ 10–6	0,685

Рассчитываем среднюю температуру воды в аппарате:

Плотность, кинематическую вязкость, критерий Прандтля, коэффициент теплопроводности воды в состоянии насыщения при средней температуре определяем по таблице свойств воды в состоянии насыщения:

ρ, кг/м3	v, м2/с	Pr	λ, Вт/(м∙К)
971,8	0,365∙10–6	2,23	0,667

Рассчитываем также в первом приближении температуру теплообменной поверхности:

Критерий Прандтля для воды определяем по таблице свойств воды в состоянии насыщения по найденной температуре:

Pr = 1,69

Выбор параметров труб аппарата и расчет числа труб

Для обеспечения турбулентного движения жидкости в трубах желательна скорость движения не ниже определенного предела, для воды желательно иметь:

w = 0,2…1,5 м/с,

Для расчета принимаем: w = 1 м/с

При такой скорости проходное сечение должно составлять:

Принимаем к установке аппарат с гладкими бесшовными трубами из латуни со следующими параметрами:

наружный диаметр: d_н = 19 мм,

толщина стенки: δ = 2,0 мм

Следовательно, внутренний диаметр будет равен:

d_в = 19 – 2,0 ∙ 2 = 15 мм

Площадь внутреннего поперечного сечения одной трубы равна:

Соответственно, число труб, требуемое для обеспечения выбранной скорости протекания воды, составляет:

Принимая четырехходовой теплообменник рассчитываем общее число труб в аппарате:

Предварительный компоновочный расчет

Принимаем размещение труб в трубной доске по вершинам равносторонних треугольников с шагом h = 27 мм ≈ 1,4d_н

Размещение труб в трубной доске иллюстрирует рисунок 3:

При данной компоновке пучок состоит из 4 ходов труб по 155 труб, то есть, общее число труб в аппарате 620

Находим активный диаметр трубной доски, то есть без учета площади для фланцевых соединений:

Коэффициент заполнения трубной доски трубками для четырех ходовых теплообменных аппаратов составляет η = 0,7…0,8

Принимаем ля расчета η = 0,8

То есть, минимальный внутренний диаметр корпуса должен составлять:

Расчетное значение внутреннего диаметра кожуха округляем в большую сторону до ближайшего размера диаметра, выбранного из стандартного ряда

таким образом, D = 800 мм

Далее уточняем скорость нагреваемого теплоносителя:

Расчет коэффициента теплоотдачи от пара к стенкам трубок

Принимаем условие, что конденсат стекает в виде тонкой пленки, и течение его ламинарное.

С учетом сказанного, рассчитываем параметр А, учитывающий природу пара и получаемого конденсата и их свойства при температуре конденсации:

Выполняя подстановку, получаем:

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи:

учитывая поправку на число труб в вертикальном ряду

Расчет коэффициента теплоотдачи от стенок трубок к воде

Рассчитываем критерий Рейнольдса для воды:

Рассчитываем критерий Нуссельта

Так как рассчитанное значение R > 10000, то делаем вывод, что режим течения нагреваемого теплоносителя является турбулентным.

Следовательно, для расчета можно применить формулу Михеева:

В этом уравнении:

- поправка на начальный участок трубы

Для предварительного расчета принимаем: l/d_в > 50

(длина труб более 19 · 50 = 950 мм), при этом ε_l = 1

С учетом сказанного:

Коэффициент теплоотдачи от стенок труб к воде определяем с использованием уравнения:

Расчет коэффициента теплопередачи от пара к воде

Рассчитываем коэффициент теплопроводности латуни, его величина зависит от температуры и эта зависимость описывается уравнением:

λ, Вт/(м*К) = 101 + 0,165 ∙ t, ^oC

Следовательно:

λ = 101 + 0,165 ∙ 103,7 = 118,1 Вт/(м∙К)

Следовательно, коэффициент теплопередачи составит:

Здесь:

φ_з – коэффициент загрязнений, φ_з = 0,65…0,85,

Принимаем для расчета, φ_з = 0,8

Проверяем принятые перепады температур:

Определяем погрешность расчета температур стенки (не должна превышать 10%):

Проводим уточнение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи

принимаем найденную разность температур пара и стенки,

соответственно:

критерий Прандтля для воды определяем по таблице свойств воды в состоянии насыщения по найденной температуре стенки: Pr = 1,90

соответственно:

рассчитываем коэффициент теплопроводности латуни при найденной температуре стенки:

λ = 101 + 0,165 ∙ (109,6 + 92,8) / 2 = 101 + 0,165 ∙ 101,2 = 117,7 Вт/(м∙К)

соответственно:

Проверяем принятые перепады температур:

Определяем погрешность расчета температур стенки (не должна превышать 10%):

Дальнейшего уточнения не требуется

Расчет требуемой площади поверхности теплообмена и длины труб

Расчет площади теплообменной поверхности выполним по уравнению:

Рассчитываем минимальную длину труб:

Рассчитываем линейную площадь поверхности теплообмена одной трубы. Данный параметр рассчитываем на средний диаметр трубы:

Соответственно:

Рассчитываем минимальную длину труб:

так как l > 0,95 м, то дальнейшее уточнение не требуется

Определяем условие конструктивности:

, условие выполняется

3. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ

Цель расчета:

1. – выбор материала для изготовления основных элементов выбранного аппарата

2. – определение минимально допустимых размеров соответствующих элементов аппарата (длин, толщин, диаметров и др., а также количества)

3. – подбор стандартных размеров по минимально допустимым

4. – уточнение конструктивных особенностей аппарата

3.1. ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Принимаем условие, что материалом для изготовления всех рассматриваемых ниже элементов аппарата служит сталь марки Ст20.

Рассчитываем допускаемое напряжение для этого материала при расчетной температуре

За расчетную температуру принимаем температуру пара

По справочной таблице находим:

tнас, оС
[s]т, МПа	144,2	129,6

На основании приведенных данных, используя ЭВМ, находим для выбранного интервала температур зависимость:

[s]_т, МПа = – 0,0635 ∙ (t_нас, ^оС) + 145,47

Применяя ее, получаем:

[s]_т = – 0,0635 ∙ 127,4 + 145,47 = 137,4 МПа

При использовании сварных элементов учет этого фактора отражает коэффициент прочности сварного шва, который зависит от конструкции шва и способа сварки.

Для всех рассматриваемых ниже элементов аппарата принимаем условие:

сварные швы стыковые односторонниие, сварка автоматическая, под слоем флюса:

φ = 0,8, для бесшовных элементов φ = 1.

3.2. РАСЧЕТ ПАТРУБКА ДЛЯ ВВОДА ПАРА

Расчет внутреннего диаметра

Выбираем скорость протекания сухого насыщенного пара в патрубке

для патрубков желательна скорость пара: w = 40…60 м/с

Для расчета принимаем: w = 50 м/с

Расчет делаем по уравнению:

принимаем стандартный патрубок с условным диаметром: D_yc = 250 мм

У выбранного патрубка наружный диаметр определяется однозначно: d_н = 273 мм

Толщина же стенки допустима в пределах: от 7,0 до 16,0 мм

Принимаем толщину стенки δ = 10,0 мм,

при этом условии внутренний диаметр будет равен:

Расчет толщины стенки

Выполним расчет толщины стенки патрубка с использованием уравнения:

Принимаем условие: патрубок бесшовный

С – суммарная поправка С = с₁ + с₂

с₁ = 1,0 мм – прибавка на минусовый допуск

с₂ = v_k ∙ τ = 0,3 ∙ 10 = 3,0 мм – прибавка на коррозию

Соответственно:

Получили δ_прин > δ_расч, то есть условие прочности выполнено

Принимаем толщину стенки δ = 10,0 мм,

Уточняем скорость протекания пара в патрубке:

скоростной режим соблюдается

Длину патрубка принимаем: l = 150 мм

Выбор фланцев для присоединения трубопровода

Принимаем к установке плоские приварные фланцы

В соответствии с расчетом требуются фланцы с условным диаметром D_ус = 250 мм рассчитанные на давление не менее Р = 0,25 МПа.

Рисунок 4
Фланец
Плоский приварной с соединительным выступом

Принимаем к установке фланцы со стандартными параметрами:

Условный диаметр	Dус, мм
Диаметр болтовой окружности	Dб, мм
Наружный диаметр фланца	Dф, мм
Толщина фланца	hф, мм
Диаметр отверстий под болты	dб, мм
Количество болтов крепления	nб, бл
Допустимое давление	Рфл, МПа	0,6
Болты крепления выбираем		М16

3.3. РАСЧЕТ ПАТРУБКА ДЛЯ ВЫВОДА КОНДЕНСАТА

Расчет внутреннего диаметра

Выбираем скорость протекания воды в патрубке

для патрубков желательна скорость воды: w = 1…3 м/с

Для расчета принимаем: w = 1,5 м/с

Для определения плотности конденсата по его температуре используем справочную таблицу: ρ = 940,7 кг/м³

Расчет делаем по уравнению:

принимаем стандартный патрубок с условным диаметром: D_yc = 50 мм

У выбранного патрубка наружный диаметр определяется однозначно: d_н = 57 мм

Толщина же стенки допустима в пределах: от 3,0 до 6,0 мм

Принимаем толщину стенки δ = 5,0 мм,

при этом условии внутренний диаметр будет равен:

Расчет толщины стенки

Выполним расчет толщины стенки патрубка с использованием уравнения:

Принимаем условие: патрубок бесшовный

С – суммарная поправка С = с₁ + с₂

с₁ = 1,0 мм – прибавка на минусовый допуск

с₂ = v_k ∙ τ = 0,3 ∙ 10 = 3,0 мм – прибавка на коррозию

Соответственно:

Получили δ_прин > δ_расч, то есть условие прочности выполнено

Принимаем толщину стенки δ = 5,0 мм,

Уточняем скорость протекания воды в патрубке:

скоростной режим соблюдается

Длину патрубка принимаем: l = 120 мм

Выбор фланцев для присоединения трубопровода

В соответствии с расчетом требуются фланцы с условным диаметром D_ус = 50 мм рассчитанные на давление не менее Р = 0,25 МПа.

Принимаем к установке плоские приварные фланцы (рисунок 4) со стандартными параметрами:

Условный диаметр	Dус, мм
Диаметр болтовой окружности	Dб, мм
Наружный диаметр фланца	Dф, мм
Толщина фланца	hф, мм
Диаметр отверстий под болты	dб, мм
Количество болтов крепления	nб, бл
Допустимое давление	Рфл, МПа	0,6
Болты крепления выбираем		М12

3.4. РАСЧЕТ ПАТРУБКОВ ДЛЯ ВВОДА И ВЫВОДА ВОДЫ

Расчет внутреннего диаметра

Для упрощения изготовления аппарата принимаем к установке одинаковые патрубки, расчет которых выполним по плотности воды при средней температуре.

Выбираем скорость протекания воды в патрубках

для патрубков желательна скорость воды: w = 1…3 м/с

Для расчета принимаем: w = 1,5 м/с

Расчет делаем по уравнению:

принимаем стандартный патрубок с условным диаметром D_yc = 150 мм

У выбранного патрубка наружный диаметр определяется однозначно: d_н = 159 мм

Толщина же стенки допустима в пределах от 4,5 до 11,0 мм

Принимаем толщину стенки δ = 7,0 мм,

при этом условии внутренний диаметр будет равен:

Расчет толщины стенки

Выполним расчет толщины стенки патрубка с использованием уравнения:

Принимаем условие: патрубок бесшовный

С – суммарная поправка С = с₁ + с₂

с₁ = 1,0 мм – прибавка на минусовый допуск

с₂ = v_k ∙ τ = 0,3 ∙ 10 = 3,0 мм – прибавка на коррозию

Соответственно:

Получили δ_прин > δ_расч, то есть условие прочности выполнено

Принимаем толщину стенки δ = 7,0 мм,

Уточняем скорость протекания воды в патрубке:

Длину патрубка принимаем: l = 140 мм

Выбор фланцев для присоединения трубопровода

В соответствии с предыдущим расчетом требуются фланцы с условным диаметром D_ус = 150 мм рассчитанные на давление не менее Р = 1,4 МПа.

Принимаем к установке плоские приварные фланцы (рисунок 4) со стандартными параметрами:

Условный диаметр	Dус, мм
Диаметр болтовой окружности	Dб, мм
Наружный диаметр фланца	Dф, мм
Толщина фланца	hф, мм
Диаметр отверстий под болты	dб, мм
Количество болтов крепления	nб, бл
Допустимое давление	Рфл, МПа	1,6
Болты крепления выбираем		М20

3.5. РАСЧЕТ ОБЕЧАЙКИ

Расчет толщины стенки

Выполним расчет толщины стенки с использованием уравнения:

Принимаем условие: корпус и камеры сварные

С – суммарная поправка С = с₁ + с₂ + с

с₁ = 1,0 мм – прибавка на минусовый допуск

с₂ = v_k ∙ τ = 0,3 ∙ 10 = 3,0 мм – прибавка на коррозию

с = дополнительная прибавка

Соответственно получаем:

для корпуса:

для камер:

Предварительно принимаем к установке корпус и камеры, у которых:

толщина стенок: δ_кр = 15 мм

Проверка отверстий под патрубки на необходимость укрепления

Максимальный диаметр отверстия, при котором укрепление не требуется, рассчитывается с использованием уравнения:

В этом уравнении: δ_c.min – минимально допустимая толщина стенки с отверстиями без конструктивной прибавки

В приведенном уравнении:

К_о – поправочный множитель для корпуса рассчитываем с учетом того, что стенку корпуса ослабляет два отверстия. Для этого используем уравнение:

Следовательно, минимальная толщина стенки должна составлять:

При принятой же толщине стенки максимальный диаметр неукрепленного отверстия в стенке корпуса может достигать:

Так как отверстия под патрубки удовлетворяют условию

d_от1 < d_max и d_от2 < d_max, то, укрепление не требуется.

К_о – поправочный множитель для камеры ввода и вывода воды рассчитываем с учетом того, что стенку камеры ослабляет два отверстия:

Следовательно, минимальная толщина стенки должна составлять:

При принятой же толщине стенки максимальный диаметр неукрепленного отверстия в стенке камеры может достигать:

Так как отверстия под патрубки удовлетворяют условию

d_от1 < d_max и d_от2 < d_max, то, укрепление не требуется.

Принимаем к установке корпус и камеры, у которых:

толщина стенок: δ_кр = 15 мм

Расчет наружного диаметра и длины

Соответственно, наружный диаметр такого корпуса равен:

Длину корпуса принимаем равной активной длине труб, то есть:

L_КР = l = 2,25 м = 2250 мм

Длину камеры для ввода и вывода воды принимаем равной L_вв = 0,6 м

Длину камеры для разворота воды принимаем равной L_р = 0,2 м

3.6. РАСЧЕТ ДНИЩ

Принимаем в установке эллиптические отбортованные днища.

Рисунок 5
Днище
Эллиптическое отбортованное

Для упрощения изготовления аппарата принимаем условие, что внутренний диаметр днища будет равен внутреннему диаметру камер, а толщина его равна толщине стенок камер:

D_ДН = D_КМ = 0,8 м, δ_дн = δ_км = 15 мм.

Отсюда рассчитываем наружный диаметр днища:

Принимаем к установке бесшовные днища со следующими параметрами:

высота днища до отбортовки Н₁ = 0,10 м

высота отбортовки Н₂ = 0,10 м.

Для проверки допустимости установки принимаемых днищ рассчитаем максимально допустимое давление на такие днища:

В данном уравнении:

R – радиус кривизны в вершине днища

Соответственно:

Как показали расчеты, принятая толщина днища вполне достаточна.

3.7. РАСЧЕТ ФЛАНЦЕВ КОРПУСА И ВОДЯНЫХ КАМЕР

В соответствии с предыдущим расчетом требуются фланцы с условным диаметром D_ус = 800 мм рассчитанные на давление не менее Р = 1,4 МПа.

Принимаем к установке плоские приварные встык фланцы со стандартными параметрами:

Условный диаметр	Dус, мм
Диаметр болтовой окружности	Dб, мм
Наружный диаметр фланца	Dф, мм
Толщина фланца	hф, мм
Диаметр отверстий под болты	dб, мм
Количество болтов крепления	nб, бл
Допустимое давление	Рфл, МПа	1,6
Болты крепления выбираем		М36

3.8. РАСЧЕТ ТРУБНЫХ ДОСОК

В рассматриваемой конструкции аппарата трубные доски круглой формы, принимаем также способ их крепления между фланцами корпуса и газовой камеры без подкрепления анкерными связями. При этом k_ф = 0,5.

Расчет толщины трубной доски

Минимальная толщина трубной доски по условию вальцовки труб должна быть не менее наружного диаметра труб,

то есть в рассматриваемом случае: δ_тд ≥ 19 мм

Для расчета воспользуемся уравнением:

В этом уравнении:

Р – давление, действующее трубную доску.

В рассматриваемом аппарате со стороны камеры давление воды Р₂, а со стороны межтрубного пространства давление водно-паровой среды Р₁, и Р₂ > Р₁.

С учетом этого получаем, что суммарное давление на трубную доску оказывается со стороны межтрубного пространства.

Для расчета принимаем: Р = Р₂ = 1,4 МПа

k_ф – коэффициент, учитывающий форму трубной доски и способ ее закрепления

Принимаем условие, что в рассматриваемой конструкции трубные доски не будут иметь подкрепления анкерными связями. При этом k_ф = 0,5.

k_o – коэффициент, учитывающий ослабление трубной доски отверстиями под теплообменные трубы:

В этом уравнении:

n_p – количество теплообменных труб в самом длинном ряду, n_p = 27

D_Р – наружный диаметр трубной доски, конструктивно принимаем его равным наружному диаметру фланцев: D_Р = D_ф = 1,02 м

d₀ – диаметр отверстий под теплообменные трубы, принимаем:

d₀ = d_н + 0,4 мм

Следовательно:

D_o – диаметр окружности на которой располагается трубная доска (с учетом направления действия изгибающей силы – со стороны камеры).

То есть, для рассматриваемой конструкции аппарата: D_o = 0,8 м

С – суммарная поправка С = с₁ + с₂

с₁ = 1,0 мм – прибавка на минусовый допуск

с₂ = v_k ∙ τ = 0,3 ∙ 10 = 3,0 мм – прибавка на коррозию

С учетом изложенного получаем:

Принимаем толщину трубных досок δ_ТД = 0,060 м

3.9. ПОДБОР ЛИНЗОВОГО КОМПЕНСАТОРА

Основные размеры стальных линзовых компенсаторов приведены в справочной литературе

По наружному диаметру аппарата выбираем размер.

Рисунок 6
Линзовый компенсатор

Размеры стального линзового компенсатора

Наружный диаметр корпуса аппарата	Dн, мм
Внешний диаметр компенсатора	D, мм
Ширина секции	L, мм
Ширина линзы	l, мм
Толщина стенки линзы	S, мм

4. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТЫ

Цели аэродинамического и гидравлического расчетов:

– определение совокупного сопротивления движению теплоносителей в аппарате

– вычисление ориентировочной мощности двигателя насоса

4.1. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Данный расчет для рассматриваемого аппарата не требуется так как пар поступает в аппарат «самотеком».

4.2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Рисунок 7
Схема движения жидкости
(нагреваемой сетевой воды)

Сопротивление движению воды в трубном пространстве аппарате есть сумма нескольких составляющих:

ΔР_т – потери давления вследствие трения

ΔР_м – потери давления вследствие преодоления местных сопротивлений

Потери давления вследствие трения

Вычисление этого вида потерь производим по уравнению Дарси:

Здесь: ξ – коэффициент трения

Для турбулентного потока (Re = 3*10³…1*10⁵) его величина определяется по уравнению Блазиуса:

n_х и l – число ходов теплообменных труб и длина труб одного хода с учетом участков, находящихся внутри трубных досок

С учетом сказанного получаем:

Потери давления вследствие преодоления местных сопротивлений

Вычисление этого вида потерь производим по уравнению:

Здесь:

ψ – коэффициент местных сопротивлений

Для рассчитываемого аппарата он включает несколько составляющих:

1,5 – входная камера

1,5 – выходная камера

2,5 – поворот на 180^о между ходами теплообменника

0,5 – вход потока в трубы с острыми краями

1,0 – выход потока из труб

С учетом сказанного получаем:

Расчет мощности привода насоса

Для расчета используем уравнение, имеющее вид:

Здесь:

k_p и k_v – коэффициенты запаса по напору и производительности,

принимаем: k_p = k_v = 1,1

(то есть, запас по названным параметрам составит по 10%)

η – полный КПД насосной машины,

для центробежных насосов: η = 0,6…0,7

принимаем: η = 0,65

Соответственно:

5. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Цель расчета:

– выбор изоляционного материала и расчет толщины изоляции достаточной для обеспечения заданной температуры изолированной стенки

Расчет коэффициента теплоотдачи от изоляции к окружающему воздуху

В качестве материала теплоизоляции выбираем стеклянную вату, коэффициент теплопроводности которой:

λ = 0,051…0,059 Вт/(м*К), для расчета принимаем: λ = 0,055 Вт/(м*К)

Температуру и давление воздуха в окружающей атмосфере принимаем:

t_в = 20 ^оС и Р_в = 0,1 МПа

Для воздуха по таблице находим:

при температуре t = 20 ^оС и давлении Р = 0,1 МПа

– коэффициент теплопроводности – λ₂₀ = 0,0259 Вт/(м*К)

– коэффициент кинематической вязкости – ν₂₀ = 15,06*10^–6 м²/с

– критерий Прандтля – Pr₂₀ = 0,703 Вт/(м*К)

Коэффициент объемного расширения воздуха при 20 ^оС равен:

Принимаем требуемую по технологическим условиям максимальную температуру изоляции со стороны воздуха t_из = 40 ^оС

Рассчитываем критерий Грасгофа для воздуха:

Здесь:

h – высота (правильнее сказать, толщина) горизонтально расположенного теплообменного аппарата с учетом толщины изоляции.

Принимая предварительно толщину изоляции 100 мм, находим:

по результатам расчетов h = D_H + 2 ∙δ_из = 0,83 + 2 ∙ 0,1 = 1,03 м

Следовательно:

Рассчитываем параметр PrGr для воздуха:

Рассчитываем критерий Нуссельта для воздуха:

Так как теплоотдача происходит от горизонтального цилиндра к газу при его свободном движении около нагретой поверхности, используем уравнение:

С учетом проведенных расчетов коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к воздуху равен:

Расчет толщины слоя изоляции, накладываемой на цилиндрическую стенку

Расчетное уравнение имеет вид:

Здесь:

t_ст – температура изолированной стенки под слоем изоляции, для расчетов принимаем эту температуру равной ранее определенной температуре пара

подстановка дает:

полученное уравнение решаем с использованием ЭВМ и находим наружный диаметр изоляционного слоя d_из = 0,883м

Соответственно, толщина изоляционного слоя должна составлять:

Отклонение от предварительно принятого составляет:

так как отклонение превышает 10 %, то выполним уточняющий расчет

Рассчитываем критерий Грасгофа для воздуха:

Здесь:

h – высота (правильнее сказать, толщина) горизонтально расположенного теплообменного аппарата с учетом толщины изоляции.

Принимая предварительно толщину изоляции 30 мм, находим:

по результатам расчетов h = D_H + 2 ∙δ_из = 0,83 + 2 ∙ 0,03 = 0,89 м

Следовательно:

Рассчитываем параметр PrGr для воздуха:

Рассчитываем критерий Нуссельта для воздуха:

Так как теплоотдача происходит от горизонтального цилиндра к газу при его свободном движении около нагретой поверхности, используем уравнение:

С учетом проведенных расчетов коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к воздуху равен:

Расчет толщины слоя изоляции, накладываемой на цилиндрическую стенку

Расчетное уравнение имеет вид:

Здесь:

t_ст – температура изолированной стенки под слоем изоляции, для расчетов принимаем эту температуру равной ранее определенной температуре пара

подстановка дает:

полученное уравнение решаем с использованием ЭВМ и находим наружный диаметр изоляционного слоя d_из = 0,883м

Соответственно, толщина изоляционного слоя должна составлять:

Отклонение от предварительно принятого составляет:

так как отклонение не превышает 10 %, то уточняющий расчет более не требуется

Принимаем окончательно толщину изоляции 30 мм.