Кожухотрубні теплообмінники

де t1 - середня температура гарячого середовища,

t2 - середня температура холодного середовища,

t'w - температура стінки зі сторони гарячого середовища,

t''w - температура стінки зі сторони холодного середовища.

1.9 Уточнення коефіцієнта теплопередачі

1.9.1. Визначення коефіцієнта тепловіддачі води

де с - питома теплоємність при температурі стінки зі сторони гарячого середовища (с = 4190 Дж/кг*К) [1, с.808]

? - в'язкість при температурі стінки зі сторони гарячого середовища (? = 0,357*10-3 Па*с) [1, с.806]

? - теплопровідність при температурі стінки зі сторони гарячого середовища (? = 0,673 Bm/м*К) [1, с.810]

1.9.2 Визначення коефіцієнта тепловіддачі ізопропанолу

де с - питома теплоємність при температурі стінки зі сторони холодного середовища (с = 3414,85 Дж/кг*К) [1, с.808]

? - в'язкість при температурі стінки зі сторони холодного середовища (? = 0,646*10-3 Па*с) [1, с.806]

? - теплопровідність при температурі стінки зі сторони холодного середовища (? = 0,142 Bm/м*К) [1, с.810]

1.10. Поверхня теплопередачі

Кількість теплообмінників з поверхнею теплообміну 46,0 м2 для забезпечення необхідної поверхні:

Вибираємо 1 теплообмінник з поверхнею теплообміну 46,0 м2 і довжиною труб 4,0 м [8] Загальна поверхня теплообміну складає: 1• 46,0 = 46,0 м2 Запас поверхні теплообміну становить:

Додаткові розміри теплообмінника. Довжина труб 4,0 м;

Кількість теплообмінників 1 шт.

По ГОСТ 15122-69 вибираємо розміри теплообмінника Таблиця 2

2. Гідравлічний розрахунок

Метою розрахунку є визначення величини опору, який вноситься теплообмінником у систему трубопроводів та визначення потужності насосів для переміщення теплоносіїв. Для проходу крізь теплообмінний апарат теплоносії повинні подаватись під деяким надлишковим тиском для того, щоб подолати надлишковий опір апарату.

2.1 Визначення швидкості рідин у штуцерах

Згідно ГОСТ 15122 - 79 умовні прохідні діаметри штуцерів трубного Dy1 та міжтрубного Dy2 простору.

Dy1= 150 мм

Dy2= 150 мм

Швидкість води у штуцерах трубного простору

Швидкість ізопропанолу у штуцерах міжтрубного простору.

2.2 Визначення гідравлічного опору трубного простору

Гідравлічний опір трубного простору складається з опору тертя, який пропорційний довжині труб, місцевих опорів та втрат на підйом рідини.

Для трубного простору маємо такі місцеві опори: [3, с.69]

?тр1=1,5 - вхідна та вихідна камери

?тр3=1,0 - вхід труби та вихід з них

Для визначення гідравлічного опору трубного простору необхідно обчислити коефіцієнт тертя ?тр. Попередньо визначимо середню абсолютну шорсткість сталевих труб е = 0,2 мм. [2, с.502] Відносна шорсткість при цьому буде рівна:

Для визначення коефіцієнта тертя скористаємось аналітичною залежністю

Враховуючи те, що в трубному просторі потік z разів проходить по трубах довжиною ?, та (z-1) разів повертає на 180о (де z - число ходів по трубах). Оскільки апарат КТ - 1В вертикальний, то слід враховувати втрати напору на підйом (L = 4970 мм). Для визначення гідравлічного опору трубного простору одного апарату скористаємося формулою

2.3 Визначення гідравлічного опору міжтрубного простору

Коефіцієнти місцевих опорів потоку, який рухається в міжтрубному просторі: [3, с.69]

?мт1=1,5 - вхід та вихід рідини

?мт2= 1,5 - поворот на 180о через сегментну перегородку

?мт3= 3*m/ Re20,2 - опір пучка труб потоку, який рухається перпендикулярно трубам,

де m - число рядів пучка в напрямку руху. Це число визначається в залежності від загального числа труб n

Приймаємо m = 8. Тоді:

Враховуючи, що в міжтрубному просторі потік перетинає пучок труб (х+1) разів, та х разів робить поворот на 180о через сегментну перегородку (де х - число сегментних перегородок).

2.4 Визначення потужності насосів (кВт)

Теоретична потужність насосу пропорційна об'ємній витраті рідини та гідравлічного опору апарату. Реальна потужність визначається з врахуванням коефіцієнта корисної дії ?.

Для трубного простору визначаємо необхідну потужність насосу (прийнято ? = 0,7).

де ?Р1 - втрати тиску, Па

G - секундна витрата теплоносія

? - ККД насосу

Для міжтрубного простору визначаємо необхідну потужність насосу (прийнято ? = 0,7)

3. Механічний розрахунок

Вибір фланців.

Фланці для трубного і міжтрубного простору, корпусу обираємо згідно ГОСТ 12831 - 67 «Фланцы с выступом или впадиной стальные приварные встык». Тиск - 1,6 МПа. Рисунки фланців показані на рис. 1, відповідні розміри фланців подані в табл. 3

Таблиця. 3

3.1. Розрахунок міцності корпуса

де р - робочий тиск,

?доп - допустиме напруження матеріалу кожуха, [3, с.394, табл. 13.1]

? - коефіцієнт міцності зварного шва при двохсторонній зварці, ?=0,85

С - додаток на корозію 2 - 8 мм, приймаємо С = 2 мм

Dв - внутрішній діаметр теплообмінника.

де ??розрах - розрахункове значення товщини стінки.

??розрах >??

Оскільки прийнята товщина кожуха 6 мм >4,8 мм то кожух витримає тиск 1,6 МПа.

3.2 Параметри кришки і днища

Кришки і днища можуть бути еліптичні, напівшарові, сферичні, конічні, плоскі (круглої або прямокутної форми).

Еліптичні днища - раціональна форма в циліндричних апаратах для розподілу навантаження. В хімічному апаратобудуванні вони виконуються штамповкою і вони одержали найбільше використання.

Штамповані еліптичні днища рекомендується використовувати в горизонтальних апаратах незалежно від тиску і в апаратах вертикального виконання, що працюють під зовнішнім і внутрішнім тиском більше 0,07 МПа.

Еліптичні днища із сталі мають діаметр від 299 мм до 3000 мм, а із латуні, алюмінію, міді - від 200 мм до 1000 мм. Для еліптичних днищ рекомендуються наступні співвідношення розмірів:

hв = 0,25Dв, але не менше 0,2Dв;

h > 2S, але не менше 25 мм;

де hв - висота еліптичної частини;

Dв - внутрішній діаметр;

h - висота циліндричної відбортовки;

S - товщина стінки днища. [5, с.50]

3.2.1. Визначення висоти циліндричної відбортовки

Приймаємо h = 25 мм

3.2.2 Знаходимо внутрішній радіус днища

3.2.3 Визначення висоти штуцера

Різниця між абсолютною висотою апарату і довжиною труб

Згідно ОСТ 26-1404-76 приймаємо hшт = 185 мм [4, с.175]

3.3 Розрахунок трубних решіток

Трубні решітки виготовляються з листової сталі. Товщина трубних решіток береться 15 ? 35 мм, вона вибирається в залежності від діаметра розвальцьованих труб:

де dз - зовнішній діаметр труб, мм.

Для надійності розвальцовки відстань між двома трубами повинна бути не менше t = 4,8dз.

де t - відстань між центрами труб, мм; вибираємо згідно ГОСТ 15118-79

3.4 Розрахунок фланцевих з'єднань

Необхідно визначити матеріал та розміри прокладок, які забезпечать герметичність роз'ємних з'єднань.

При визначених середньому діаметру прокладки Dпр, кількості та діаметрів болтів максимальну ширину прокладки можна визначити, прирівнявши загальне допустиме навантаження на болти та необхідне навантаження на прокладку для її герметизації.

Допустиме навантаження на один болт

де dpв - внутрішній діаметр різьби;

С1 - конструктивна добавка, для болтів з вуглецевої сталі С1 = 2 мм.

Необхідне для герметизації навантаження fпр

де Dпрср-середній діаметр прокладки, мм;

b-ширина прокладки, мм;

qпр- тиск на поверхню прокладки, необхідний для герметизації роз'ємного з'єднання фланець - прокладка - фланець.

3.4.1 Прокладки для кришок

Обрані фланці мають плоскі поверхні, тому тип ущільнення буде відповідно з прокладкою між плоскими поверхнями.

З наведених даних про фланці визначаємо для кришок:

- число отворів, яке рівне числу болтів 20

- різьба болтів M27 [7]

- максимально можливий зовнішній діаметр прокладки D4 = 473 мм;

- мінімально можливий внутрішній діаметр прокладки d1 = 398 мм;

Визначаємо загальне навантаження на 20 болтів FБ

Для болтів М27 внутрішній діаметр різьби згідно ГОСТ 9150 dpв = 22,83 мм, для сталі Ст.3, з якої пропонуємо робити болти ?доп=135 МПа [3, табл.13.1]

Матеріалом для прокладки обираємо пароніт ПОН-1 ГОСТ 481-71, для якого qпр =20 МПа.

Внутрішній діаметр прокладки приймаємо Dп1= 398 мм, тоді середній діаметр Dпрср = Dп1+ b, цей вираз підставляємо у попереднє рівняння

звідси отримуємо квадратне відносно невідомої b рівняння

розв'язком рівняння є:

Перевіряємо:

Приймаємо прокладки:

- Товщина прокладки 2,5 мм;

- Ширина прокладки 34 мм;

- Зовнішній діаметр прокладки 466 мм.

3.4.2 Фланці трубного і міжтрубного простору

З наведених даних про фланці визначаємо:

- число отворів, яке рівне числу болтів 8;

- різьба болтів М20

- максимально можливий зовнішній діаметр прокладки D4=203 мм

- мінімально можливий внутрішній діаметр прокладки d1= 146 мм;

Визначаємо загальне навантаження на 8 болтів FБ:

Для болтів М20 внутрішній діаметр різьби згідно ГОСТ 9150 dpв = 16,53мм, для сталі Ст.3, з якої пропонуємо робити болти ?доп=135 МПа

Матеріалом для прокладки обираємо пароніт ПОН-1 (ГОСТ 481-71), для якого qпр = 20 МПа.

Внутрішній діаметр прокладки приймаємо Dп1 = 146 мм, тоді ширина прокладки фланців

Перевіряємо:

- Товщина прокладки 2 мм;

- Ширина прокладки 17 мм;

- Зовнішній діаметр прокладки 180 мм.

4. Економічний розрахунок

4.1 Визначаємо масу кожуха

Маса кожуха Мк складається з маси циліндричної частини Мц.ч.; маси 2-х фланців (Dу = 400 мм) Мф; маси 2-х штуцерів і 2-х фланців (Dу = 150 мм).

де ?ст - густина сталі, ?ст = 7850 кг/м3

Масу фланців знаходимо за ГОСТ 12831 - 67

Мф.400 = 42,64 кг

Мф.150 = 8,28 кг

4.2 Визначаємо маси днища, кришки

Маса днища і кришки для одноходового теплообмінника однакова. До неї входять маса циліндричної відбортовки, маси фланця Dу = 150 мм, маси штуцера Dу = 150 мм та маси еліптичної частини:

4.3 Обчислюємо масу труб, де враховуємо їх кількість, діаметр та товщину стінок

4.4. Обчислюємо масу трубних решіток

4.5 Знаходимо масу сигментних перегородок

4.6. Знаходимо масу апарату

Маса апарату складається з маси кожуха, маси труб, маси днища і кришки, маси трубних решіток і маси сигметних перегородок

Згідно ГОСТ 15122 - 79 для Ру = 1,6 МПа, Мmax = 1430 кг.

4.7 Знаходимо масу апарату з рідинами; для цього знаходимо об'єм назріваючої води в трубному просторі

Знаходимо масу нагріваючої води в трубному просторі

Обчислюємо об'єм ізопропанолу в міжтрубному просторі

Обчислюємо масу ізопропанолу в міжтрубному просторі

Маса апарату з рідинами складає

4.8. Знаходимо параметри опор за ГОСТ 15122 - 79.

При Dзовн. = 412 мм; Dвн. = 400 мм, кількість опор 2, при ? = 4000 мм.

Визначаємо навантаження, що діє на апарат

Визначаємо навантаження, що діє на опору

Приймаємо опори з такими параметрами Таблиця 4

Висновок

Кожухотрубні теплообмінники - це один з найбільш розповсюджених типів теплообмінників. Вони застосовуються тоді, коли необхідна велика поверхня теплообміну, а також для нагрівання і охолодження рідин і газів.

Кожухотрубні теплообмінники являють собою апарати, виконані з пучка труб, які зібрані з допомогою трубних решіток, обмежені кожухами і кришками зі штуцерами. Перегородки встановлені з метою збільшення швидкості руху теплоносія, а як наслідок коефіцієнта теплопередачі.

Кожухотрубні апарати можуть бути вертикальними і горизонтальними. Вертикальні - поширеніші, оскільки вони займають менше місця і зручно розміщати в приміщенні. Регулювання продуктивності можливе шляхом зміни тиску, рівня конденсату в апараті, зменшення активної поверхні теплообміну.

Переваги кожухотрубних теплообмінників: компактність, невелика витрата металлу, легкість очищення труб з середини.

Недоліки теплообмінників: складність пропускання теплоносіїв з великою швидкістю, складність очистки міжтрубного простору і мала доступність для огляду та ремонту, складність виготовлення з металів що не допускають розвальцовки ізварювання.

Кожухотрубні теплообмінники.

Кожухотрубні теплообмінники - це один з найбільш росповсюджених типів теплообмінників. Вони складаються із пучка труб, кінці яких закріплені в спеціальній трубній решітці шляхом розвальцовки, зварювання, чи спаювання. Пучок труб розташований в середині загального кожуха, при чому, один із теплоносіїв (І) рухається по трубам, а другий (II) - в просторі між кожухом і трубами (міжтрубному просторі).

насос трубний тепловіддача апарат

Трубна решітка служить для розділення апарату на два простори: трубний і міжтрубний. Трубна решітка може бути з'єднана з корпусом апарату, фланцем апарату або бути затиснута між двома фланцями. У трубному просторі теплообмінника є перегородки, вони визначають кількість ходів у теплообміннику. Кожухотрубні теплообмінники бувають: одно-; дво-; трьох-; чотирьох-; п'яти-; і восьми ходові.

Середовище завжди направляють протитоком один до другого. При цьому нагріте середовище направляють знизу вверх, а середовище яке віддає тепло - в протилежному напрямі. Таке напрямлення руху кожного середовища співпадає з напрямленням, в якому рухається дане середовище під впливом зміни її густини при нагріванні чи охолодженні.

Кожухотрубний теплообмінник з плаваючою головкою, закритого типу. Переваги: компактність; невелика витрата металу; легкість; очистки труб з середини. Недоліки: важкість очистки міжтрубного простору; мала доступність для ремонту і огляду; важко виготовляти із матеріалів, які недопускають розвальцьовування і зварк.

При необхідності забезпечування зварки труб і кожуха використовують теплообмінник з плаваючою головкою. Нижня трубна решітка є рухомою, що дозволяє всьому пучку труб вільно переміщуватися незалежно від корпуса апарату. Цим створюється небезпечна температурна деформація труб і порушення їх щільності з'єднання з трубними решітками.

Кожухотрубний теплообмінникU-подібними трубками

Переваги: компактність; невелика витрата металу;

Недоліки: мала доступність для огляду і ремонту; важко чистити труби; складність розміщення великого числа труб в трубній решітці;

Теплообмінники " труба в трубі".

Вони включають декілька розташованих один над одним елементів, при чому кожен елемент складається з двох труб: зовнішньої труби 2 великого діаметра і концентрично розташованої труби 1. Для можливості очистки внутрішні труби з'єднують за допомогою калачів 3.

Завдяки невеликому поперечному перетину в цих теплообмінниках легко досягти високої швидкості теплоносіїв, як в трубах, так і в міжтрубному просторі.

Переваги: високий коефіцієнт теплопередачі; простота виготовлення;

Недоліки: громісткість; велика вартість у зв'язку з великою витратою металу на зовнішні труби, що не беруть участь в теплообміні; складність очистки міжтрубного простору.

Список використаної літератури

1. Плановський А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. “Процессы и аппараты химической технологии” - М.; Химия 2010

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. “Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии” Л.; Химия 2007.

3. Дитнерський Ю.М. “Основные процессы и аппараты химической технологии“ М.; Химия 2009.

4. Лащинський А.А. “Конструирование сварных химических аппаратов“ Справочник. Л.; Машиностроение 2008.

5. Кувшинский Н.Н., Соболева А.П. Курсовое проектирование по предмету: Процессы и аппараты химической технологии ” - М.; Высшая школа 2009.

6. Касаткин А.Г. “Процессы и аппараты химической технологии“ - М.; Химия 1973.

7. ГОСТ 12831-67. Фланцы с виступом или впадиной стальние приварные встык. Конструкция, размери и технические требования.

8. ГОСТ 15122-69. Теплообменники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решотками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры и размеры.

9. ГОСТ 15118-79. Теплообменники кожухотрубчатые с неподвижными трубными решотками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Розмещение отверстий под трубы в трубных решотках и перегородках. Основные размеры.

Размещено на Allbest.ur