Гидравлический расчёт

Гидравлический расчёт выполняют для определения потерь давления и затрат энергии на преодоление этих потерь, а также выбора средств для транспортировки теплоносителей при движении их через аппарат и все другие каналы (трубопроводы) установки.

4.1. Расчётная гидравлическая схема

 

 

	В выпарную установку

конденсат

бульон

Бак для сбора конденсата

Слив конденсата

Бак для бульона

                                                                                             

                                                          

Весь путь движения продукта делим на 3 участка.

4.2. Гидравлическое сопротивление трубопроводов подачи бульона из бака в теплообменник. Принимаем диаметр трубопровода d = 32*2,5мм. Внутренний диаметр трубопровода и эквивалентный диаметр:

 d_в = d_э = d_н - 2* δ_ст = 32 - 2*2,5 = 27 мм = 0,027 м.

Плотность бульона концентрацией В_н = 6% при начальной температуре

t^н_б = 14⁰С:

Т_н = 273 + t^н_б = 273 +14 = 287 К.

1/ρ_б = 10^-2*((100 – В_н)/ ρ_в + В_с/ ρ_с + В_ж/ρ_ж) 5(73)

ρ_в = 999,4 кг/м³                                               (4) т.3

ρ_с = 1016,4 кг/м³,                        (6) II. 129.

ρ_ж = 1098 – 0,605* Т_н = 1098 – 0,605*287 = 924,3 кг/м³.

1/ р = 10^-2((100 - 6)/ 999,4 + 4,5/1016,4 + 1,5/924,3) = 0,10005*10^-3  м³/ кг

ρ_б = 999,5 кг/м³

Динамический коэффициент вязкости:         (4) II. 12.

µ _б = µ _с(1 + 2,5φ) = 1,098*(1+2,5*0,06) = 1,263*10^-3  Па*с.

Где µ _с = 1,098 мПа*с – динамический коэффициент вязкости среды (3) т.VI.

Скорость бульона в трубопроводе:

ω _б = G_н/0,785* d²_в * ρ_б = 0,5/0,785*0,000441*659,63 = 2,19м/с

Критерий Рейнольдса:

Re _б = ω _б*d_э* ρ_б/µ _б = 2,19*0,027*659,63/1,263*10^-3 = 30882˃10000 – развитое турбулентное течение.

Коэффициент трения:    (1) 3.56.

λ = 1/(0,78*ln Re – 1,5)² = 0,023

Принимаем длину трубопроводов l = 3 м

Местные сопротивления:

Вход в трубопровод ξ₁ = 1 (3) стр.26

Калено гладкое: R = 4d – 2 = ξ =1*2 = 2

Вентиль нормальный D25 мм – 2:

ξ = 6*2 = 12 (3) т. XIII

Сумма местных сопротивлений:

Σ ξ = 1+2+12 = 15

Полное гидравлическое сопротивление трубопровода: (1) 77.

4.3. Гидравлическое сопротивление трубопроводов подачи конденсата из сборного бака в теплообменник.

Диаметр трубопровода оставляем как и для бульона d = 32*2,5мм

d_в = d_э = 0,027 м.

Длина трубопровода l = 3 м

Плотность конденсата при начальной температуре t^н_кд = 138⁰С (3) т.XXXIX, ρ_кд=927,9 кг/ м³

Динамический коэффициент вязкости конденсата

µ _кд = 0,199*10^-3 Па*с

Критерий Рейнольдса:

Re _кд = ω _кд*d_э* ρ_кд/µ _кд.

Скорость конденсата:

ω _кд = G_кд/0,785* d²_в * ρ_кд = 0,785/ 0,785*0,000441*927,9 = 2,45 м/с

Re _кд = 2,45*0,027*927,9/0,000199 = 321741 ˃ 10⁵            (1) стр. 78

Абсолютная средняя шероховатость труб ∆ = 0,1мм = 0,0001 м

Относительная шероховатость трубы:

е = ∆/ d_э = 4*10^-3м

Коэффициент трения:

λ = 1/(0,78*ln(3,7/е))² = 0,035

Местные сопротивления:

Вход в трубопровод: ξ = 1

Вентиль нормальный D25 мм – 2: ξ = 6*2 = 12

Колено гладкое 90˚: R = 4d – 3, ξ =1*3 = 3

Сумма местных сопротивлений:

Σ ξ = 1+3+12 = 16

Полное гидравлическое сопротивление трубопровода: (1) 77.

4.4. Гидравлическое сопротивление по линии бульона:

Коэффициент трения:

λ = 1/(0,78*ln Re – 1,5)² =0,17

Длина канала l = z* l_н = 6,13*3 = 18,4 м.

Эквивалентный диаметр d_в = d_э = 0,021 м

Местные сопротивления:

Входная и выходная камеры – 2:

ξ = 1,5*2 = 3

Вход в трубки и выход из них 12:

ξ = 1*12 = 12

Поворот на 180˚ через промежуточную камеру – 5:

ξ =2,5*5 = 12,5.

Вентиль нормальный Dу = 25 мм – 2:

ξ = 6*2=12

Сумма местных сопротивлений:

Σ ξ = 3 +12 + 12,5 + 12 = 39,5

Полное гидравлическое сопротивление по линии бульона:

4.5. Полное гидравлическое сопротивление по линии конденсата:

Коэффициент трения при Re = 18759:

λ = 1/(0,78*ln Re – 1,5)² =0,026

Длина канала l = L = 3м

Местные сопротивления:

Входная и выходные камеры  = 1,0*4=4                      [3] стр.26

Вход в трубки и выход из них: =1,0*6=6

Поворот на 180 через промежуточную камеру: =2,5*5=12,5

Вход в межтрубное пространство под углом 90˚ к рабочему потоку - ξ = 1,5

Выход из межтрубного пространства под углом 90˚ - ξ = 1

Огибание перегородок, поддерживающих трубы:

Принимаем расстояние между перегородками l = 0,5 м

Число перегородок n = L/l - 1 = 3/0,5 - 1 = 5

ξ = 0,5*5 = 2,5

Вентиль нормальный Dу25 – 2

ξ = 6*2 = 12

Сумма местных сопротивлений:

Σ ξ = 4 + 6 + 12,5 + 1,5 + 1 + 2,5 + 12 = 39,5

Полное гидравлическое сопротивление по линии конденсата:

4.6. Гидравлическое сопротивление трубопроводов подачи бульона в выпарную установку.

Плотность бульона концентрацией В_н = 6% при конечной температуре

t^б_к = 94,53˚С

Т_н = 273 + t^б_к = 367,53 К

1/ρ_б = 10^-2*((100 – В_н)/ ρ_в + В_с/ ρ_с + В_ж/ρ_ж) 5(73)

ρ_в = 960 кг/м³                                               (4) т.3

ρ_с = 1016,4 кг/м³,                        (6) II. 129.

ρ_ж = 1098 – 0,605* Т_н = 1098 – 0,605*367,53 = 875,64 кг/м³.

1/ р = 10^-2((100 - 6)/ 960 + 4,5/1016,4 + 1,5/875,64) = 0,00104063  м³/ кг

ρ_б = 961 кг/м³

Динамический коэффициент вязкости:         (4) II – 12

µ _б = µ _с(1 + 2,5φ) = 0,345*(1+2,5*0,06) = 0,4*10^-3  Па*с.

Где µ _с = 0,345 мПа*с – динамический коэффициент вязкости среды (3) т.VI.

Скорость бульона в трубопроводе:

ω _б = G_н/0,785* d²_в * ρ_б = 0,5/0,785*0,000441*961 = 1,5 м/с

Критерий Рейнольдса:

Re _б = ω _б*d_э* ρ_б/µ _б  = 1,5*0,027*961/0,4*10^-3 = 97301˃10000 – развитое турбулентное течение.

Абсолютная средняя шероховатость новых стальных труб:

Δ = 0,1 мм = 0,0001 м

Относительная шероховатость трубы:

е = Δ/ d_э = 0,0001/0,027 = 4*10^-3

Коэффициент трения:    (1) 3.56.

λ = 1/(0,87*ln (3,7/ е))² = 0,028

Местные сопротивления:

Вентиль нормальный ξ = 6

Выход из трубы ξ = 1

Сумма местных сопротивлений:

Σ ξ = 1+6 = 7

Полное гидравлическое сопротивление трубопровода: (1) 77.

4.7. Принимаем геометрическую высоту подъёма жидкости Н_г = 5 м (конструктивно).

Потеря давления, развиваемого насосом на подъём конденсата:

= ρ_кд * g * Н_г = 927,9*9,81*5 = 45513 Па

Потеря давления, развиваемого насосом на подъём бульона:

= ρ_б * g * Н_г = 987*9,81*5 = 48412 Па

4.8. Подбор насоса для подачи бульона:

Полный напор развиваемый насосом:  (3) стр.91

= + + + = 27770 + 65132 +10930 + 48412 = 143244 Па

Объёмная производительность насоса:

V_б = G_н/ρ^б_н = 0,5/999,5 = 1,39*10^-3 м³/с = 5 м³/ч.

Потеря напора:

Н = / ρ*g = 143244/987*9,81 = 15 м.вод.ст.

Принимаем центробежный насос марки X8/18, КПД насоса  = 0,5

Мощность электродвигателя:

N = V_б* /  = 1,39*10^-3*143244/0,5 = 398 Вт

Принимаем электродвигатель серии 2В 100S2 мощностью N₂ = 4,0 кВт

4.9. Подбор насоса для перекачивания конденсата.

Полный напор, развиваемый насосом:

= + + = 55388 + 2011 + 45513 = 102912 Па.

Объёмная производительность:

V_кд = G_кд/ρ^кд_н = 0,785/927,9 = 0,846*10^-3 м³/с = 3,05 м³/ч.

Потеря напора:

Н = / ρ*g = 102912/927,9*9,81 = 11 м.вод.ст.

Принимаем центробежный насос марки X8/18, КПД насоса  = 0,5

Мощность электродвигателя:

N = V_кд* /  = 0,846*10^-3*102912/0,5 = 174 Вт

Принимаем электродвигатель серии 2В 100S2 мощностью N₂ = 4,0 кВт

 

 

Механический расчёт

5.1. Основные детали теплообменника: корпус, фланцы, днища, обечайки, болты, принимаем из стали ст.3 (1) стр.83

Номинальное допускаемое напряжение стали Вст3 ,

=132 МПа

Поправочный коэффициент для обогреваемого корпуса с отверстиями для приварки патрубков и выпуклых днищ :

=0,9 – для корпуса

=0,95 – для днища с отверстиями

Расчётное допускаемое напряжение на растяжение для стали Вст3 (1 стр.48)

Для корпуса:

 МПа

Для днища:

 МПа

Коэффициент прочности сварного стыкового шва, свариваемого электросваркой вручную  =0,7

5.2. Толщина стенки корпуса:

Р = 45513 Па = 0,045 мПа – принимаем давление в корпусе аппарата равным давлению, развиваемому насосом подачи конденсата.

С = 0,003 м – конструктивная добавка на коррозию, овальность

5.3. Толщина выпуклого днища:

Р = 135611 Па = 0,14 мПа – давление во входной камере, равное давлению, создаваемому насосом подачи бульона.

d_н = d_в + 2*δ₁ = 0,6 + 2*0,004 = 0,608м – наружный диаметр корпуса.

Фактор формы днища – К = 2,1 (1) стр.124

Отношение h / d_н =0,125/0,608 = 0,21

Отношение (t+d)/ d_н = (0,1+0,032)/0,608 = 0,22

Толщина выпуклого днища:

= (0,14*0,608*2,1)/(2*125,4*0,7)+0,003 = 4*10^-3 мм

5.4. Расчёт болтов фланцевого соединения корпуса.

Усилие, открывающее днище входной камеры от фланца (1) 5.119

Q = π* d²_ср*(Р/4) = 3,14*0,72²*(0,21/4) = 0,085мм

Принимаем предварительно внутренний диаметр резьбы болта (1) т.13

D_в = 14 мм = 0,014 м

Принимаем отношение шага расположения болтов к внутреннему диаметру:

S/ D_в = 5

Шаг болтов, предварительно:                  (1) стр.157

z = π* D_в /t = 3,14*0,6/0,07 = 30

Принимаем число болтов кратное четырём z = 32

Уточнённый шаг болтов:

t=π* D_б / z = 3,14*0,67/32 = 0,066м

Усилие на один болт:

Р₀ = К*Q/z = 2*0,085/32 = 5,3*10^-3 мм,

где К=2 – коэффициент затяжки болта для мелких прокладок (1) стр.157

Внутренний диаметр резьбы болта (1) 5.123.

D =1,13 +0,005=1,13 +0,005= 0,0125 м = 12,5 мм

Принимаем болты с шестигранной головкой нормальной точности по ГОСТ 7798-70 (1) т.13

Номинальный диаметр резьбы 16 мм.

Шаг резьбы – крупный, резьба метрическая М16

5.5. Толщина круглого приварного фланца:            (1) 5.125.

δ  = β +C

β=0,43 – коэффициент для фланцев, имеющих прокладку по всей торцевой поверхности (1) стр.159

r₀ = D_б /2 = 0,67/2 = 0,335м – радиус окружностей центров болтовых отверстий

r = D_в /2 = 0,6/2 = 0,3м – внутренний диаметр корпуса

d = 0,018м – диаметр болтового отверстия

δ_н = δ = 118,8 мПа – допускаемое напряжение на изгиб (1) 5.2

С = 0,004м – конструктивная прибавка (1) 158.

δ  = β +C = 0,43 +0,004 = 8,7*10^-3м = 9 мм