Расчет кожухотрубного теплообменника
|
| | | | | КП-02068108-240502-ПАХТ-23.7-06 ПЗ | |
| | | | | | |
Изм | Лист | № докум. | Подпись | Дата | | |
Разработал | Исаев | | | | Лит. | Лист | Листов | |
Проверил | Смирных | | | | | | | | | |
| | | | | ВГТА Х-033 | |
Н. контр | | | | | | |
Утв. | | | | | | |
|
1. Тепловой расчет
Цель теплового расчета - определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса и выбор стандартизованного теплообменника [1].
Из основного уравнения теплопередачи:
, (1)
где F - площадь теплопередающей поверхности, м2;
Q - тепловая нагрузка аппарата, Вт;
K - коэффициент теплопередачи, ;
- средний температурный напор, К.
1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата
В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в горизонтальном теплообменнике теплотой конденсирующего пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле [6]:
, (2)
где Gхол - массовый расход воды, кг/с, ;
Схол - средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кгК);
Тк, Тн - конечная и начальная температуры воды, К;
- коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду при нагревании, = 1,05.
Средняя температура воды:
0С ,
Этому значению температуры соответствует.ТогдаВт,с учетом потериВт.1.2 Определение расхода пара и температуры его насыщенияРасход пара определим из уравнения:, (3)где D - расход пара, кг/с;r - скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг.По [2, прил. LVII] при Рп = 0,3 МПа, r = 2171103 Дж/кг, Тк = 133 0С.Из формулы (3) следует, что кг/с.1.3 Расчет температурного режима теплообменникаЦель расчета - определение средней разности температур и средних температур теплоносителей tср1 и tср2. Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей.Тн = 191,7 0С Пар Тк = 191,7 0Сtк = 96 0С Вода tн = 40 0С 0С 0СТак как, то 0С.Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому tср1 = Тп = 191,7 0С, а средняя температура воды : tср 2 = tср 1-tср = 191,7-123,7=68 0С.
1.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей
Теплофизические свойства теплоносителей определяем при их средних температурах и заносим в таблицу 1.
Таблица 1 Теплофизические свойства теплоносителей
1.5 Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата
Ориентировочным расчетом называется расчет площади теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбираемому из [1, табл. 1.3]. Принимаем К= 800 Вт/(м2К), поскольку теплота передаётся от конденсирующего пара к воде, тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле (1)
м2.
Так как в аппарате горячим теплоносителем является пар, то для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны воды, необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость течения воды в трубках аппарата. Принимаем число Рейнольдса Re = 12000.
Для изготовления теплообменника выберем трубы стальные бесшовные диаметром 25х2 мм.
Необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость, определим из уравнения:
, (4)
где n - количество труб в аппарате, шт.;
d - внутренний диаметр труб, м;
G - массовый расход воды, кг/с;
- динамическая вязкость, Па·с;
Re - число Рейнольдса.
Из формулы (4):
шт.
Такому числу труб n = 39 шт. и площади поверхности аппарата F = 18,3 м2 по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает кожухотрубчатый двухходовой теплообменник диаметром 325 мм, с числом труб 28 в одном ходе, длиной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F = 17,5 м2.
Проверим скорость движения воды в трубах аппарата:
м/с.
Значение скорости находится в рекомендуемых пределах, поэтому выбор конструкции аппарата закончен.
1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи
Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов и К по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи [1].
Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб без учета температуры стенки рассчитывается по формуле [1, с. 24]:
, (5)
где G - массовый расход конденсирующегося пара, G = 6,24·10-1 кг/с;
n - число труб в аппарате с наружным диаметром d, шт;
- теплопроводность, плотность и вязкость конденсата при температуре конденсации.
По формуле (5)
.
Режим движения воды в трубках аппарата:
- турбулентный, так как Re>104.
Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr < 80) рекомендуется уравнение [1, с. 23]:
, (6)
где - критерий Нуссельта;
- критерий Рейнольдса;
- критерий Прандтля;
- отношение, учитывающее влияние направления теплового потока (нагревание или охлаждение) на интенсивность теплоотдачи.
Отношение принимаем равным 1, тогда по формуле (6):
, а
.
Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара [2, табл. ХХХI]:
,
а со стороны воды [2, табл. ХХХI]:
,
,
.
Тогда
Или
,
где - сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.
Так как теплообменная трубка тонкостенная (dвн > ), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки
, (7)
где - коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды,
;
- сумма термических сопротивлений.
По формуле (7)
.
Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1):
м2.
Площадь поверхности теплообмена выбранного теплообменного аппарата F=17,5 м2 , что отвечает требуемой поверхности, т.е. для выполнения уточненного расчета оставляем ранее выбранный в ориентировочном расчете аппарат.
1.7 Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный выбор теплообменного аппарата
Уточненным называется расчет коэффициентов теплоотдачи с учетом температуры стенки.
Расчет температуры стенки ведем методом последовательных приближений.
Первое приближение.
Задаемся значением температуры стенки со стороны пара, равным = 1000С.
Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле [1, с. 24]:
, (8)
где ,,, - плотность, теплопроводность, удельная теплота конденсации, динамическая вязкость пленки при ; - разность температур стенки и конденсирующегося пара;
- длина труб.
Температура пленки: 0С.
Для = 16,5 0С:
= 59,06·10-2 Вт/(м·К);
= 998,7 кг/м3;
= 2460,85 ·103 Дж/кг; = 1108 ·10-6 Па·с.
По формуле (8):
Вт/(м2·К).
Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:
Рассчитываем температуру стенки со стороны воды [1, с.16]:, (9)По формуле (9): 0С.При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX](Рrст2 )І= 2,48.С учетом температуры стенки;.Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:Сравнивая (q1)I с (q2)I, приходим к выводу, что 91571,5>>52088, поэтому расчет температуры стенки продолжаем, задаваясь другим значением температуры стенки со стороны пара.Второе приближениеЗадаемся температурой стенки со стороны пара (tст1)II = 105 0С.Температура пленки: 0С, тогда = 133-105 = 28 0СДля = 14 0С: = 58,46·10-2 Вт/(м·К); = 999,2 кг/м3; = 2467,6 ·103 Дж/кг; = 1186 ·10-6 Па·с.По формуле (7): Вт/(м2·К).Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9): 0С.При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX](Рrст2 ) = 2,158.С учетом температуры стенки:;.Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:И во втором приближении разница между (q1)ІІ и (q2)II более 5%Расчет продолжаем, определяя tст1 графически по пересечению линий q1=f(tст1) и q2=f(tст2)По найденному графически температуре (tст1)ІІІ=104,15С выполняем третий, проверочный расчет.Температура пленки: 0С, тогда = 133-104,5 = 28,85 0СДля = 14,425 0С: = 58,56·10-2 Вт/(м·К); = 999,15 кг/м3; = 2466·103 Дж/кг; = 1173 ·10-6 Па·с.По формуле (7): Вт/(м2·К).Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9): 0С.При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX](Рrст2 )= 2,1.С учетом температуры стенки:;.Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:Сравнивая (q1)III с (q2)ІІІ, приходим к выводу, что отклонениет.е. не превышает 5%, поэтому расчет можем считать законченным.Удельные тепловые потоки по обе стороны стенки равны (рис.2)Рис. 2 Схема процесса теплопередачиПо формуле (7) коэффициент теплопередачи:.Площадь поверхности аппарата определяем по формуле (1): м2,По [1, табл. 1.8] ГОСТ 15122-79 окончательно выбираем двухходовой аппарат диаметром d=325 мм, с числом труб n = 56 шт, с длиной теплообменных труб L = 4000 мм и F = 17,5 м2.1.8 Обозначение теплообменного аппарата1) Диаметр кожуха D = 325 мм по [1, с. 29] ГОСТ 9617-76.2) Тип аппарата ТНВ - теплообменник с неподвижными трубными решётками вертикальный.3) Условное давление в трубах и кожухе - 0,3 МПа.4) Исполнение по материалу - М1.5) Исполнение по температурному пределу - 0 - обыкновенное.6) Диаметр трубы d= 25 мм.7) Состояние поставки наружной трубы - Г - гладкая.8) Длина труб L= 4,0 м.9) Схема размещения труб - Ш - по вершинам равносторонних треугольников.10) Число ходов - 2.Группа исполнения - А.Теплообменник гр. А ГОСТ 15122-79.Рис. 3. Вертикальный двухходовой кожухотрубчатый теплообменник1-кожух; 2-трубная решетка; 3-трубка, 4-крышка, 5-распределительная камера2. Конструктивный расчетЦель конструктивного расчета теплообменных аппаратов с трубчатой поверхностью теплообмена - расчет диаметров штуцеров и выбор конструкционных материалов для изготовления аппаратов, трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных трубок и трубных решеток к кожуху; конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними; распределительных камер, крышек и днищ аппарата; фланцев, прокладок и крепежных элементов; конструкций компенсирующего устройства, воздушников, отбойных щитков, опор и т.п [1, стр.42].2.1 Выбор конструкционных материалов для изготовления аппаратаМатериал выбирают по рабочим условиям в аппарате: температуре, давлениям, химическим свойствам теплоносителей и др. При выборе материала пользуемся рекомендациями [1, табл. 2.2] и ГОСТ 15199-79, 15120-79, 15121-79, в которых указаны материалы основных деталей в зависимости от группы материального исполнения.Группа материального исполнения - М1. Материал: кожуха - В Ст3сп5 ГОСТ 14637-79; распределительной камеры и крышки - В Ст3сп5 ГОСТ 14637-89; трубы - сталь 10 ГОСТ 8733-87 [1, табл. 2.2].2.2 Выбор трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток к кожухуТрубные решетки изготавливаются обычно цельными, вырезкой из листа. Для надежного крепления трубок в трубной решетки её толщина Sр(min) (в мм) должна быть не менее [1, с. 45], (11)где с - прибавка для стальных трубных решеток, мм, с = 5 мм;dн - наружный диаметр теплообменных трубок, мм, dн = 25 мм.По формуле (11): мм.Толщину трубной решетки выбираем в зависимости от диаметра кожуха аппарата и уловного давления в аппарате [1, табл. 2.3]:Sр = 27 мм.Размещение отверстий в трубных решетках, их шаг регламентируется для всех теплообменников ГОСТ 9929-82.По [1, с. 46] определяем шаг при размещении труб по вершинам равносторонних треугольников: при dн = 25 мм, t = 32 мм; отверстия под трубы в трубных решетках и перегородках размещают в соответствии с ГОСТ 15118-79 [1, табл. 2.6].Размещение отверстий в трубных решетках выбранного аппарата показано на рис. 3.Рис. 4 Размещение отверстий в трубных решеткахОсновные размеры для размещения отверстий под трубы 25 х 2 мм в трубных решетках выбираем по [1, табл. 2.7], диаметр предельной окружности, за которой не располагают отверстия под трубы:D0 = 287 мм,2R = 281 мм,Число отверстий под трубы в трубных решетках и перегородках по рядам:0 ряд - 61 ряд - 92 ряд - 83 ряд - 74 ряд - 4Общее число труб в решетке - 56 шт.Отверстия в трубных решетках выполняем гладкими. По ГОСТ 15118-79 под трубы с наружным диаметром 25 мм установлен диаметр 25,5 мм.Крепление труб в трубной решетке должно быть прочным, герметичным и обеспечивать их легкую замену. Применяем для крепления труб способ развальцовки с последующей отбортовкой (рис. 4).Рис.5 Крепление труб в трубной решетке развальцовкой с последующей отбортовкойКонец трубы, вставленной с минимальным зазором в отверстие трубной решетки, расширяется изнутри раскаткой роликами специального инструмента, называемого вальцовкой.По [1, табл. 2.8] в соответствии с ГОСТ 26291-94 принимаем минимальную толщину стенки корпуса S = 6 мм.2.3 Выбор конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними. ОтбойникиПрименяем внутренние поперечные перегородки с диаметрально чередующимся в них сегментными средами для поддержания расстояния между трубами (рис. 6).Рис.6 Конструктивная схема поперечных перегородокДиаметр отверстий для труб в перегородках 28 мм [1. с. 57]. Номинальный диаметр поперечных перегородок Dп=310 мм [1. с.58].Неподвижные трубные решетки занимают место во впадинах фланцев корпуса и крышек (рис. 7).Рис. 7 Узел крепления неподвижной трубной решетки: 1 - решетка трубная; 2 - фланец; 3 - прокладка; 4 - трубка теплообменная; 5 - кожух; 6 - крышка.Для того чтобы теплообменники лучше работали, необходимо обеспечить минимальный зазор между корпусом и перегородкой. Номинальный диаметр Dп поперечных перегородок принимают в зависимости от внутреннего диаметра аппарата [1, с. 58]: Dп = 310 мм при D=315 мм. Максимальное расстояние между перегородками принимаем по [1, с. 58] равным 800 мм, а минимальная толщина перегородок [1, с. 59] 8 мм.Взаимное расположение поперечных перегородок фиксируют несколькими стяжками между ними. Стяжки придают пучку жесткость и дополнительную прочность, обеспечивают удобства его сборки. Они представляют собой тяги из круглого прутка, пропущенные через отверстия перегородок и трубных решеток. В промежутке между перегородками надеты распорные трубки. Число стяжек принимаем в зависимости от диаметра аппарата [1, с. 59]:диаметр стяжек - 12 мм,число стяжек - 4.При входе среды (пара) в межтрубное пространство теплообменника часто устанавливают отбойник, который защищает от местного износа трубы, расположенные против входного штуцера (рис. 7).Рис. 8 Схема размещения отбойникаОтбойник выполняют в виде круглой пластины. Его размер должен быть не меньше внутреннего диаметра штуцера D1, т.е. [1, с. 59]. 20),D = 200+15=215 мм.Отбойник не должен создавать излишнее гидравлическое сопротивление, поэтому расстояние от внутренней поверхности корпуса до отбойника должно быть [1, с. 59]: , мм.2.4 Выбор крышек и днищ аппаратаКрышки и днища теплообменных аппаратов выбираем в зависимости от диаметра кожуха. Наиболее распространенной формой днищ и крышек является эллиптическая форма с отбортовкой на цилиндр (рис. 8).Рис. 9 Днище эллиптическое с отбортовкойПо [3, табл. 16.1] выбираем размеры днища эллиптического отбортованного стального диаметром 800 мм:Sd = 6 мм, Нd = 81 мм, hу = 25 мм.Днище 325 х 6-25 ГОСТ 481-58 [3, табл. 16.1].Выбранное днище используем для изготовления входной и выходной крышек аппарата.Марка стали - 09 Г 2 С [3, табл. 16.1].2.5 Расчет диаметров штуцеров, выбор фланцев, прокладок и крепежных элементовПрисоединение трубопроводов к теплообменным аппаратам бывает разъемным и неразъемным. Разъемное присоединение труб осуществляется при помощи фланцевых резьбовых штуцеров. При диаметре трубопроводов более 10 мм применяют фланцевые штуцеры.Диаметр штуцера зависит от расхода и скорости теплоносителя [1, с. 64]:, (12)где V - объемный расход теплоносителя, м3/с;- скорость движения теплоносителя в штуцере, м/с;S - площадь поперечного сечения штуцера, м2, .Скорости движения теплоносителей в штуцерах выбирают по [1, табл. 1.4], принимая их несколько большими, чем в аппарате.Диаметр штуцера:, (13)Диаметр штуцеров для входа и выхода воды рассчитываем по уравнению (13), принимая скорость движения воды в штуцерах равной 2,0 м/с.м.Принимаем dш = 50 мм.Диаметр штуцеров для насыщенного водяного пара и конденсата, расход которых D = 6,24·10-1 кг/с.Тогда объемный расход пара: м3/с,а конденсата: м3/с.Тогда, принимая скорость пара в штуцере м/с, получаем: м.Принимаем dп = 100 мм.Скорость конденсата в штуцере м/с, тогда м.Принимаем dк = 32 мм.Принимаем штуцера со стальными плоскими приварными фланцами с соединительным выступом (тип 1 - рис. 10).Рис. 10 Фланец для штуцеровВыбираем по Dу и ру = 0,6 МПа [3, табл. 21.9].Основные размеры фланцев:· фланцы штуцеров для ввода и вывода воды - Фланец 50-3 ГОСТ 1255-67: Dу = 50 мм, Dб =110 мм, Dф = 140 мм, h = 13 мм, z = 4 шт, dб =12мм;· фланец штуцера для ввода водяного пара - Фланец 100-3 ГОСТ 1255-67: Dу =100 мм, Dб = 170 мм, Dф = 205 мм, z = 4 шт, h = 15 мм, dб = 16 мм;· фланец штуцера для вывода конденсата - Фланец 30-3 ГОСТ 1255-67: Dу =32 мм, Dб = 90мм, Dф = 120 мм, h = 15 мм, z = 4 шт, dб = 18 мм.Для присоединения крышек к корпусу аппарата используем тип 2 диаметром 325 мм (рис. 10).Рис. 11 Фланец для аппаратаПо [3, табл. 21.9] выбираем основные размеры фланцев для аппарата: фланец I-325-3 ГОСТ 1235-67: Dб = 395 мм, Dф = 435 мм, h = 20 мм, dб = 20 мм, z = 12т; прокладка - паронит ГОСТ 481-80.2.6 Проверка необходимости установки компенсирующего устройстваЖесткое крепление трубных решёток к корпусу аппарата и труб в трубной решетке обуславливает возникновение температурных усилий в трубах и корпусе (кожухе) при различных температурах их направления и может привести к нарушению развальцовки труб в решетках, продольному изгибу труб и другим неблагоприятным явлениям.В случае если трубы нагреваются сильнее, чем кожух, они становятся длиннее кожуха и давят на трубные решетки, стремясь удлинить и сам корпус (кожух). Если напряжения, возникающие при этом в материале трубок и кожуха, превышают допустимые, то появляется необходимость установки компенсирующего устройства (линзы, плавающей головки и т.п.).По данным [1 табл.1.7] допускаемая разность температур кожуха и труб (не требующая установки компенсирующего устройства) при давлении Рy 1,6 МПа составляет 60 оС.Для рассматриваемого теплообменного аппарата температура стенки трубок 0С.(см. подраздел 1.7), а минимальная температура кожуха может быть принята равной температуре пара, т.е. tст (к) = 133 оС.Разность температур кожуха и трубок 0С,следовательно, установка компенсирующего устройства не требуется.2.7 Опоры аппаратаХимические аппараты устанавливают на фундаменты или специальные несущие конструкции при помощи опор. Тип опоры выбирают в зависимости от конструкции оборудования, нагрузки и способа установки. При установке вертикальных аппаратов широко применяются лапы на полу или на фундаментах. При наличии нижних опор аппарат устанавливают на три или четыре точки, при подвеске между перекрытиями - на три лапы и более.Расчетную нагрузку, воспринимаемую опорой аппарата, определяют по максимальной силе тяжести его в условиях эксплуатации или гидравлического испытания (при заполнении аппарата водой) с учетом возможных дополнительных внешних нагрузок от силы тяжести трубопроводов, арматуры и т. д. Вес аппарата (с жидкостью) делится на число "лап", и по допустимой нагрузке на опору выбирают ее основные размеры по [1, табл. 2.13].Принимаем число лап равным 3, а допустимую нагрузку равную 4000 Н. По [1, табл. 2.13] выбираем основные размеры опор вертикального аппарата при допустимой нагрузке 4000 Н: a=75 мм, a1=95 мм, b=95 мм, с=20 мм, c1=50 мм, h=140 мм, h1=10 мм, S1=5 мм, k=15 мм, k1=25 мм, d=12 мм.Рис. 12 Опора вертикального аппарата3. Гидравлический расчетЦель гидравлического расчета - определение величины сопротивлений различных участков трубопроводов и теплообменника и подбор насоса, обеспечивающего заданную подачу и рассчитанный напор при перекачке воды.Теплоносители должны подаваться в теплообменный аппарат под некоторым избыточным давлением для того, чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление аппарата и системы технологических трубопроводов за аппаратом, переместить теплоноситель из одной точки пространства в другую (например, поднять его) и иметь возможность сообщить ему дополнительную скорость. При этом теплоноситель должен обладать достаточной энергией в заданной точке технологической схемы.Потери энергии жидкостью и газами при их движении, обусловленные внутренним трением, определяют величину гидравлического сопротиления [1, с. 79].3.1 Расчет гидравлических сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в нихТеплообменные аппараты включаются в трубопроводы, входящие в состав насосных установок, образующих технологические схемы различных пищевых или химических отраслей промышленности. Расчету принадлежит схема насосной установки, предлагаемая в задании на проектировании.Различают два вида гидравлических сопротивлений (потерь напора): сопротивление трения и местные сопротивления: и . Для расчета потерь напора по длине пользуются формулой Дарси-Вейсбаха [2]:,где - гидравлический коэффициент трения; - длина трубопровода, по которому протекает теплоноситель, м;d - диаметр трубопровода, м; - скоростной напор,м.Для расчета потерь напора в местных сопротивлениях применяют формулу Вейсбаха:,где - коэффициент местных сопротивлений; - скоростной напор за местным сопротивлением.3.1.1 Разбивка трубопровода насосной установки на участки:Гидравлическому расчету подлежит схема, представленная на рис. 12.Рис. 12 - Схема насосной установки1 -емкость; 2 - насос; 3 - теплообменник; 5 - стерилизуемый аппарат.Трубопровод состоит из всасывающей и напорной линий. Всасывающая линия - трубопровод от нижней части емкости до насоса. Напорная линия - участок трубопровода от насоса до теплообменника, теплообменник 3, участок от теплообменника 3 до стерилизуемого аппарата 4.3.1.2 Определение геометрических характеристик участков трубопровода, скоростей и режимов движения в них теплоносителяДиаметры всасывающего и напорного трубопроводов определим из уравнения расхода (12), принимая по [1, табл. 1.4] скорость во всасывающем трубопроводе м/с, а в напорном - м/с. м.По ГОСТ 8732-78 [4, таб. 2.34] выбираем трубу для всасывающего трубопровода диаметром 70 мм.Скорость движения воды на всасывающем участке трубопровода: м/с,а режим движения - турбулентный, так как Re>104 [6, с.43].где м2/с - кинематический коэффициент вязкости при t=140С. мПо ГОСТ 8732-78 [4,таб. 2.34] выбираем трубу для напорного трубопровода диаметром 50 мм.Скорость движения воды на напорном участке трубопровода м/с.Режим движения воды на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника - турбулентный, так как Re>104 [6, с. 43].Режим движения воды на напорном замкнутом участке трубопровода, включающего теплообменник и стерилизуемый аппарат. - турбулентный, так как Re>104,где м2/с - кинематическая вязкость воды при t = 92°С3.1.3 Расчет сопротивлений трубопроводов и аппаратов, включенных в нихВсасывающий участок трубопроводаПри турбулентном режиме движения гидравлический коэффициент трения может зависеть и от числа Рейнольдса, и от величины шероховатости трубы.Рассчитаем гидравлический коэффициент трения для гидравлически гладких труб по формуле Блазиуса:. (14).Проверим трубу на шероховатость, рассчитав толщину вязкого подслоя и сравнив ее с величиной абсолютной шероховатости стальной бесшовной новой трубы: , м,, значит, труба гидравлически гладкая и . На всех остальных участках трубопровода будем считать трубы гидравлически гладкими.По формуле Дарси-Вейсбаха, (15) м.Согласно схеме насосной установки (рис. 12) на всасывающей линии имеются следующие местные сопротивления: два плавных поворота на 90- ,[1, табл. 3.3]. Следовательно, , а по формуле Вейсбаха: , (16)где - коэффициент местных сопротивлений; - скоростной напор за местным сопротивлением. м.
Суммарные потери напора на всасывающем участке трубопровода:
м.
Участок напорного трубопровода от насоса до теплообменника м.Согласно расчетной схеме (рис. 12) на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника имеется два местных сопротивления: два плавных поворота - [1, табл. 3.3].Поэтому м.
Суммарные потери напора на участке напорного трубопровода от насоса до теплообменника:
м.
Теплообменник м.Определим напор, теряемый в местных сопротивлениях теплообменника (рис. 13).Рис. 13 - Коэффициенты местных сопротивлений теплообменника
Предварительно вычислим площади потока в различных участках.
1. Площадь поперечного сечения штуцера:
м2;
2. Площадь поперечного сечения крышки (свободного сечения аппарата)
м2;
3. Площадь поперечного сечения 56 труб теплообменника:
м2.
Скорости и скоростные напоры в соответствующих сечениях:
м/с;
м;
м/с;
м;
м/с;
м.
Коэффициенты местных сопротивлений:
а) при входе потока через штуцер в крышку (внезапное расширение):
;
б) при входе потока из крышки в трубы (внезапное сужение):
;
в) при выходе потока из труб в крышку (внезапное расширение):
;
г) при входе потока из крышки в штуцер (внезапное сужение):
.
Вычисляем потери напора в местных сопротивлениях:
а) при входе потока через штуцер:
м;
б) при входе потока из крышки в трубы первого хода аппарата:
м;
в) при выходе потока из труб в крышку:
м;
г) при выходе потока из крышки через штуцер:
м;
д) при повороте из одного хода в другой на 180° (=2,5):
м.
Суммарные потери напора в местных сопротивлениях теплообменника:
Общие потери напора (по длине и в местных сопротивлениях теплообменника):
м.
Диаметр напорного трубопровода dн = 0,05 м совпадает с диаметрами штуцеров dш = 0,05 м, следовательно при входе и выходе из теплообменника потерь напора не будет .
Участок напорного трубопровода от теплообменника до стерилизуемого аппарата
.
м.
Участок напорного трубопровода от теплообменника до стерилизуемого аппарата включает следующие местные сопротивления: 6 плавных поворот на 900 . Тогда сумма коэффициентов местного сопротивления .
м.
м.
Суммарные потери напора в насосной установке (сети)
м
3.2 Определение требуемого напора насоса
Требуемый напор насоса определяем по формуле:
, (17)
где Н=8м- высота подъёма жидкости в насосной установке (от насоса), м,
hвс - высота всасывания насоса, hвс= 0,5 м;
Рк - давление в стерилизуемом аппарате , Рк = 0,55 МПа;
Рат - атмосферное давление, Рат = 9,81104 Па;
- суммарные потери напора в сети, = 9,17 м.
По формуле (17):
м.
3.3 Выбор типа и марки насоса по расчетному напору и заданной подаче
По полю характеристик V - Н насосов для чистой воды [8, c. 328] по заданной подаче V = 410-3 м3/с (14,4 м3/ч) к рассчитанному требуемому напору Нтр =64,4 м выбираем насос по ГОСТ 22247-96: К 290/18б-У2, n=1450 об/мин.
3.4 Построение характеристик насоса и трубопровода. Определение рабочей точки насоса
По каталогу насоса для химических производств [6] строим рабочие характеристики выбранного насоса - зависимости Н = f(V), N = f(V), h = f(V).
Для построения характеристики трубопровода рассмотрим его уравнение (17).
Первые два слагаемых уравнения являются величиной постоянной и определяют собой статистический напор, тогда
,
где м.
Так как трубопровод эксплуатируется в квадратичной зоне сопротивлений (Re >105), то зависимость потерь напора в трубопроводе от изменения скоростей носит квадратичный характер, т.е.
, (18)
где в - коэффициент пропорциональности, определяемый по координатам т. А, лежащей на этой кривой.
Н = f(V), з=f(V)
Для этой точки имеются:
м3/с - (по заданию);
НД = Нтр = 64,4м
м.
Отсюда
.
Уравнение кривой сопротивления трубопровода, выражающее собой потребные напоры насоса при подаче различных расходов по заданному трубопроводу
Задаваясь различными значениями расходов V, рассчитываем соответствующие им значения Нтр = f(V).
Результаты расчета сводим в таблицу 2.
Таблица 2 Характеристики трубопровода
|
V | Нст, м | , м | , м | |
м3/с | м3/ч | | | | |
0 | 0 | 55,3 | 0 | 55,3 | |
0,0011 | 4 | | 0,69 | 55,99 | |
0,0016 | 6 | | 1,46 | 56,76 | |
0,0022 | 8 | | 2,76 | 58,06 | |
0,0028 | 10 | | 4,47 | 59,77 | |
0,0039 | 14 | | 8,67 | 63,97 | |
0,0044 | 16 | | 11,03 | 66,33 | |
0,0050 | 18 | | 14,25 | 69,55 | |
0,0055 | 20 | | 17,24 | 72,54 | |
|
По данным таблицы 2 строим характеристику трубопровода Нтр = f(V), отложив на оси ординат величину Нст =55,3 м.
Точка пересечения характеристик насоса и трубопровода определяет рабочую точку А. Координаты рабочей точки:
VА = 16 м3/ч = 0,0044 м3/с; Н = 66 м; %;
Ne= кВт.
Так как VА = 16 м3/ч больше заданной подачи VА=14,4 м3/ч, то необходимо отрегулировать работу насоса на сеть одним из способов: прикрытием задвижки на напорной линии (дросселирование); уменьшением частоты вращения вала рабочего колеса насоса; обрезкой рабочего колеса.
Заключение
Расчет курсового проекта состоит из трех основных расчетов: теплового, конструктивного и гидравлического.
В тепловом расчете определили необходимую площадь теплопередающей поверхности, в нашем случае F = 17,5 м2, которая соответствует заданной температуре и оптимальным гидродинамическим условиям процесса. По полученным расчетным путем данным выбрали теплообменник гр. А ГОСТ 15122-79.
В конструктивном расчете произвели расчет диаметров штуцеров, выбрали конструкционные материалы для изготовления аппаратов, трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных трубок и трубных решеток к кожуху; конструктивную схему поперечных перегородок и расстояния между ними; распределительные камеры, крышки и днища аппарата; фланцы и прокладки.
В гидравлическом расчете выбрали необходимый насос по полученному требуемому напору, в нашем случае Hтр=64,4 м и заданная подача V=4·10-3 м3/с (234 м3/ч) выбираем насос CR 15-6, мощность которого 5,5 кВт, который обеспечивает заданную подачу и рассчитанный напор при перекачке воды.
Список использованных источников
1. Логинов А.В. Процессы и аппараты химических и пищевых производств (пособие по проектированию) / А.В. Логинов, Н.М. Подгорнова, И.Н. Болгова. - Воронеж: ВГТА, - 2003. - 264 с.
2. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособ. для студ. химико-технол. спец. вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под ред. П.Г. Романкова. - 8-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1976. - 552 с.
3. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский; Под ред. Н.Н. Логинова. - 2-е изд; перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1970. - 753 с.
4. Ю.И. Дытнерский, Г.С. Борисов, В.П. Брыков. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и допол. - М.: Химия, 1991. - 496 с.
5. Насосы и насосные установки пищевых предприятий: Учеб. пособие / А.В. Логинов, М.Н. Слюсарев, А.А. Смирных. - Воронеж: ВГТА, 2001. - 226 с.
6. А.Г Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов.- 10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепеч. С изд. 1973г.- М.: ООО ТИД "Альянс", 2004.-753с.