Расчет выпарного аппарата

Вариант 2

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты являются наиболее применяемыми практически во всех отраслях промышленности, что предопределено длительной историей развития и совершенствования данного типа оборудования, простотой и надежностью конструктивных решений, доступностью и технологичностью материалов, применяемых как при изготовлении, так и при ремонте, отработанностью проведения монтажа и пуска в эксплуатацию, легкостью в обслуживании и надежностью в работе.

В кожухотрубчатых теплообменных аппаратах достигаются достаточно большие соотношения поверхности теплообмена к объему и массе. Размеры поверхности теплообмена легко можно варьировать в широких пределах, конструкция имеет достаточную прочность и выдерживает нормальные нагрузки при сборке, перевозке и монтаже теплообменника, а также внутренние и внешние напряжения в обычных условиях эксплуатации. Очистка кожухотрубчатых теплообменных аппаратов не вызывает затруднений, а его элементы, наиболее подверженные коррозии, - прокладки и трубы, - легко могут быть заменены. Конструктивные особенности позволяют применять этот тип почти во всех случаях, включая предельно низкие или высокие температуры и давления, большие градиенты температур, при испарении и конденсации, а также при использовании сильно загрязненных и коррозионно-активных теплоносителей.

По назначению кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на теплообменники (Т), холодильники (X), конденсаторы (К) и испарители (И); по конструкции - на аппараты с неподвижными трубными решетками (тип Н), с температурным компенсатором на кожухе (тип К), с плавающей головкой (тип П) и с U-образными трубами (тип У).

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения различных сред с температурой теплообменивающих сред от минус 30 до +350 °С (типы ТН и ТК) и от минус 30 до +450 °С (типы ТП и ТУ).

Холодильники - для охлаждения различных жидких или газообразных сред пресной, морской водой или хладагентами с температурой охлаждаемой среды в кожухе от 0 до +300 °С (типы ХН и ХК) и от 0 до +400 °С (тип ХП) и температурой охлаждающей среды в трубах от минус 20 до +60 °С.

Конденсаторы - для конденсации и охлаждения парообразных сред пресной, морской водой или другими хладагентами с температурой конденсируемой среды в кожухе от 0 до +300 °С (типы КН и КК) и от 0 до +400 °С (тип КП) и температурой охлаждающей среды в трубах от минус 20 до +60 °С.

Испарители - для нагрева и испарения различных жидких сред с температурой греющей и испаряемой сред от минус 30 до +350 °С (типы ИН и ИК) и от минус 30 до +450 °С (типы ИП и ИУ).

Холодильные конденсаторы (тип КТ) - для сжижения хладагента в аммиачных и углеводородных (пропан, пропилен) холодильных установках общепромышленного назначения, работающих в пределах температур конденсируемого хладагента от 0 до +100 °С, при температуре охлаждающей среды от минус 40 до +50 °С.

Холодильные испарители (тип ИТ) - для охлаждения воды и растворов давлением до 0,6 МПа (6 кгс/смІ) в аммиачных и углеводородных (пропан, пропилен) холодильных установках общепромышленного назначения, работающих в пределах температур насыщения от +40 до минус 40 °С; жидких технологических сред давлением 1-2,5 МПа (10-25 кгс/смІ) в установках, работающих в пределах насыщения от +40 до минус 60°С.

Теплообменные аппараты типов П и У применяются при значительной разности температур стенок кожуха и труб, а также в случае необходимости механической чистки трубного пучка снаружи.

Теплообменные аппараты изготовляются:

по расположению - вертикальными (типы Н, К и П) и горизонтальными (типы Н, К, П и У);

по числу ходов в трубном пространстве - одноходовыми (типы Н и К), двухходовыми (типы Н, К, П и У), четырехходовыми (типы Н, К и П) и шестиходовыми (типы Н, К и П);

по компоновке - одинарными и сдвоенными;

по материалу основных узлов и деталей - с деталями трубного и межтрубного пространств из углеродистой или коррозионностойкой стали; с деталями трубного пространства из коррозионностойкой стали, а межтрубного пространства - из углеродистой стали; с трубами из латуни или алюминиево-магниевого сплава и деталями межтрубного пространства из углеродистой стали.

Теплообменные аппараты изготовляются с кожухами диаметром 159, 273, 325, 400, 426, 600, 630, 800, 1000, 1200 и 1400 мм (для типов Н и К), 1600, 1800 и 2000 мм (для типа Н), 325, 400, 426, 500, 530, 600, 630, 800, 1000, 1200 и 1400 мм (для типов П и У) и 800, 1000, 1200, 1600, 2400, 2600 и 2800 мм (для испарителей типов П и У).

Для стандартных теплообменных аппаратов типов Н и К применяются трубы 20 х 2 и 25 х 2 мм; для аппаратов типа П - трубы 20 х 2, 25 х 2 и 25 х 2,5 мм; для аппаратов типа У - трубы 20 х 2 мм. Трубы в трубных решетках крепятся методом развальцовки или обварки с подвальцовкой в соответствии с ОСТ 26-02-1015-85.

1. Расчет кожухотрубной теплообменной аппаратуры

Ориентировочно определяем длину пучка теплообменных труб по формуле

=1,38·1700=2346 мм

где

D = 2а

D - внутренний диаметр кожуха.

Определяем расстояние a₁ от оси кожуха до оси наиболее удаленной теплообменной трубы по чертежу решетки

а₁=0,483D=0.483·1700=821,1 мм;

Определяем диаметр окружности вписанной в максимальную беструбную зону по чертежу решетки (см. рис.12).

DE = 0,055D=0,055·1700=93,5 мм

Рисунок 1- Расчетная схема аппарата

Рисунок 2- Схема расположения труб по вершинам равносторонних треугольников (по сторонам правильных шестиугольников и обтекания их конденсатом

Рисунок 3 - Схема для определения диаметра окружности, вписанной в максимальную беструбную зону

2. Расчет трубной решетки

Определяем вспомогательные величины коэффициенты влияния давления на трубную решетку

,

,

где d_т - наружный диаметр труб, мм; а₁ - расстояние от оси кожуха до оси наиболее удаленной теплообменной трубы, мм; s_T - толщна стенок труб, мм.

Модуль упругости основания (системы труб) определяется по формуле

МПа

Е_Т - модуль продольной упругости материала труб, МПа;

Ер= Е_Т = Е_К

Ер - модули продольной упругости материалов решетки, труб и кожуха (углеродистая сталь при температуре-до 100°С), МПа;

Приведенное отношение жесткости труб к жесткости кожуха

где s_к - толщина стенки цилиндрической обечайки (кожуха), мм

Относительная характеристика беструбного края

m_н=a/a₁=1,035=1,04

Определяем приведенное давление

p₀=tk_yl+[_Т-1+m_cp+m_н(m_н+0,5)]p_T-[_м-1+m_cp+ m_н(m_н+0,3с)]p_м=

=10^-5·1,2·14·13,5·1173+(0,68-1+0,2154+1,04·(1,04+0,5))·0,7-(0,6-1+0,2154+1,04·(1,04+0,3))·1=1,62 МПа

=_Т=_К

где - коэффициент линейного расширения материалов труб и кожуха, 1/град; t - разность температур кожуха греющей камеры и трубок;

p_м - расчетное давление в межтрубном пространстве;

p_т - расчетне давление в трубном пространстве;

Определяем коэффициент ослабления трубной решетки

_р=1-d₀/t_p=1-43/54,6=0,2125

где d₀ - диаметр отверстия в решетке для труб, мм;

t_p - шаг расположения отверстий в решетке, мм.

Определяем допускаемое значение амплитуды условных упругих напряжений [уa]=280МПа при числе циклов погружения, равном 10 000, за расчетный срок службы аппарата.

Определяем коэффициенты

,

Определяем расчетную толщину трубной решетки определяем по формуле:

мм

принимаем толщину трубной решетки с учетом прибавок на коррозию и округления до ближайшей большего стандартного значения толщины.

Толщину трубной решетки проверяем по формуле:

.

Определяем осевое усилие в кожухе по формуле

.

Определяем осевое усилие в трубе

.

,

.

Проверяем прочность трубы по формуле:

3. Расчёт фланцевого соединения

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам. Выбор конструкции аппарата для определенных условий теплообменного процесса зависит в основном от эрудиции и интуиции конструктора. Однако существуют рекомендации общего характера, которыми можно руководствоваться при выборе конструкции теплообменника и схемы движения в нем теплоносителей:

при высоком давлении теплоносителей предпочтительнее трубчатые теплообменники; в этом случае в трубное пространство желательно направить теплоноситель с более высоким давлением, поскольку из-за малого диаметра трубы могут выдержать большее давление, чем корпус;

коррозионный теплоноситель в трубчатых теплообменниках целесообразно направлять по трубам, так как в этом случае при коррозионном изнашивании не требуется замена корпуса теплообменника;

при использовании коррозионных теплоносителей предпочтительнее теплообменные аппараты из полимерных материалов, например фторопласта и его сополимеров, обладающих уникальной коррозионной стойкостью;

если один из теплоносителей загрязнен или дает отложения, то целесообразно направлять его с той стороны теплообмена, которая более доступна для очистки (в змеевиковых теплообменниках - это наружная поверхность труб, в кожухотрубчатых - внутренняя);

для улучшения теплообмена не всегда требуется увеличение скорости теплоносителя (так, например, при конденсации паров для улучшения теплообмена необходимо обеспечить хороший отвод конденсата с теплообменной поверхности, для чего следует подобрать аппарат соответствующей конструкции).

Список литературы

1. Соколов В.И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. - М.: Машиностроение, 1983. - 447 с.

2. Соколов В.И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1992.

3. Харламов С.В Практикум по расчету и. конструированию машин и

4. аппаратов пищевых производств: Учебное пособие. - Л.: Агропромиздат, 1991.

5. Кононюк Л.В., Басанько В.А. Справочник конструктора оборудования пищевых производств. - К.: Техника, 1981.

6. Остриков А.Н., Абрамов О. В, Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Учебник для вузов. - СПб.: ГИОРД, 2003.

7. Курочкин А.А., Зимняков В.В. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств. - М.: Колос, 2006.

8. ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность

9. ГОСТ 24755-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий

Размещено на Allbest.ru