Тепловой и конструктивный расчет

Расчет теплообменного аппарата

 

Екатеринбург 2011

 

Задание на курсовое проектирование

 

Тема проекта:

Вертикальный теплообменный аппарат с жесткой трубной решеткой.

Исходные данные:

Греющий теплоноситель – насыщенный пар (межтрубное пространство):

P_изб = 0,7 МПа.

Нагреваемый теплоноситель - вода (трубки):

 = 15 ⁰С;

 = 95 ⁰С;

Р_абс =0,8 МПа.

Содержание проекта:

Тепловой и конструктивный расчет;

Гидравлический расчёт;

Механический расчет элементов конструкции теплообменного аппарата;

Расчёт тепловой изоляции;

КИП и А;

Требования «Ростехнадзора».

Графическая часть проекта:

Продольный и поперечный разрезы аппарата (А1), деталировка верхней крышки (А1).

Описание аппарата

 

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты применяют для нагрева и охлаждения жидкостей и газов, а также для испарения и конденсации теплоносителей в различных технологических процессах.

Кожухотрубчатый теплообменник представляет собой аппарат, выполненный из пучков труб, собранных при помощи трубной решетки, и ограниченный кожухом и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости и коэффициента теплоотдачи теплоносителей.

Теплообменник сварной с прямыми трубками, завальцованными в трубные доски. Трубки латунные с диаметром 18/16 мм. Коэффициент теплопроводности латуни λ=104,7 Вт/м·К. Корпус выполнен из стали (Ст20).

 

Тепловой и конструктивный расчет

Ориентировочно по существующим конструкциям выбираем:

наружный диаметр трубок d_нар=18×1 мм;

внутренний диаметр трубок d_вн=16 мм.

Выбираем из справочника оптимальную скорость теплоносителя внутри трубок ω₀ = 1,1 м/с.

Определяем число трубок.

Температурный напор.

 

, где

 

⁰С

⁰С

170, 4 ^оС – температура насыщения при давлении P_изб = 0,7 МПа

 ⁰С

Найдем средние температуры теплоносителей. При противотоке считают допустимым определять среднюю температуру теплоносителя с меньшим температурным перепадом как среднеарифметическую, а среднюю температуру другого теплоносителя по формуле .

 

⁰С

 

Теплоемкость воды и ее плотность определяется по средней температуре из таблиц:

с_в = 4,176 кДж/(кг∙К);

ρ_в = 983,6 кг/м³;

Определяем тепловую мощность.

 

Q_в= =4,176∙22,22∙(95 - 15) = 7424 кВт

 

Расход воды G_в=80 м³/ч=22,22 кг/с

Число труб:

 

 

Принимаем число трубок 100, уточняем скорость:

 

Расположение трубок в трубной решетке: по вершинам равностороннего треугольника.

Шаг между центрами трубок:

t = d_н∙1,3=0,018∙1,3=0,0234 м.

Определение внутреннего диаметра корпуса

Положение крайних трубок.

 

 м.

 

Внутренний диаметр (аппарат принимается двухходовым):

 м

L - наибольшая суммарная длина перегородок в днище аппарата, м.

Округляем в большую сторону до стандартного значения: D_вн=0,5 м.

Для насыщенного водяного пара скорость в межтрубном пространстве не проверяется.

Определение коэффициента теплопередачи.

При d_ср/δ≥2

 

 

 - теплопроводность материала из которого изготовлена трубка для латуни, = 104,7 Вт/м×К;

- толщина стенки трубки, м.

Определение коэффициента теплоотдачи от трубок к воде a_м (вынужденное течение внутри трубок):

 

 

=4,7576·10^-7 - кинематическая вязкость при t^ср_в = 59,8 ^оС;

=2,99 (при t^ср_в = 59,8 ^оС)

=1,55 (при t^ср_ст = 112 ^оС (принимается предварительно))

l_ж1=0,6545 Вт/(м×К) - теплопроводность пленки конденсата.

Определение коэффициента теплоотдачи от пара к трубкам a_п (пленочная конденсация на вертикальной трубе):

 

 

где l_ж = 0,6769 Вт/м×К - теплопроводность пленки конденсата;

ρ=955 кг/м³ – плотность конденсата;

g = 9,81 м²/с – ускорение свободного падения;

r =2047 Дж/кг – удельная теплота парообразования;

=0,000273 Н·с/м² - коэффициент динамической вязкости конденсата;

; Δt=170,4-112=58,4⁰С;

h =0,15 м- расстояние между перегородками.

Пересчитаем температуру стенки:

 

t_ст=  ⁰С

 

Погрешность в определении температуры стенки:

Δ= , что не превышает 5 %.

Коэффициент теплопередачи:

 

 

где δ=0,001м – толщина стенки трубки.

Определение площади поверхности нагрева и размеров ее элементов.

 

 

Найдем длину трубок при числе ходов z =2:

 

м;

Отношение K=

D_вн=0,5м.

Выбираем наружный диаметр корпуса из ряда стандартных наружных диаметров D_н = 530 мм

Определение диаметров патрубков.

- диаметр патрубка для пара:

 

, м

 

G_п =Q·(h”-h’)=7424·(2768,3-720.9)=3,63 кг/с – расход пара;

ν_п =0,24 м³/кг – удельный объем пара;

w_п – скорость пара, м/с, принимаем 30 м/с.

м.

- диаметр патрубка для конденсата:

 

= м

 

w_в – скорость воды в патрубке, принимаем 3 м/с.

- диаметр патрубка для нагреваемой воды:

 

= м

 

w_в – скорость воды в патрубке, принимаем 1,3 м/с.